以太網(wǎng)供電(PoE)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在它的簡易性上。但在IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中引入對(PoE+)的“at”修訂后，與原始規(guī)范中的15瓦相比，可供用電設(shè)備(PD)使用的功率增加到了30瓦(W)。對于采用多個(gè)端口的系統(tǒng)而言，提高PoE+容量要求使用更大的電源才能滿足需求。而且，系統(tǒng)往往包含多個(gè)電源以實(shí)現(xiàn)冗余，這些都可能有悖于PoE的簡易性。

在典型的多端口PoE+實(shí)現(xiàn)中，并非所有用電設(shè)備都需要最大功率，因此允許使用小一些的電源。然而，要想在可能包含數(shù)十個(gè)用電設(shè)備的系統(tǒng)中管理來自多個(gè)電源的不同功率水平，這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)依然令人望而生畏。

可行的解決方案是讓電源系統(tǒng)基于專門的電源管理芯片。此類芯片通過端口控制器，管理從主電源和備用電源提供給多個(gè)具有不同功率要求的用電設(shè)備的功率。

本文首先介紹PoE和PoE+的基礎(chǔ)知識，然后介紹單芯片電源管理和端口控制器解決方案，并展示這些解決方案如何簡化多端口PoE+系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

PoE和PoE+基礎(chǔ)知識

PoE的簡易性體現(xiàn)在，在一根CAT5電纜上結(jié)合了供電和通信功能。與使用單獨(dú)的電源和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比，工程師可利用此功能快速、低成本地設(shè)計(jì)和構(gòu)建維護(hù)要求較低的網(wǎng)絡(luò)。

PoE在世紀(jì)之交取得了迅猛的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)語音協(xié)議電話(VoIP)開始利用基于以太網(wǎng)的專有技術(shù)，允許在同一網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電力。

2003年6月，IEEE將PoE規(guī)范采納為現(xiàn)有IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的修訂(“af”)，對此概念進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。2009年采用了第二項(xiàng)修訂“at”，能夠讓PoE安全地處理更高功率。

IEEE802.3af可以向網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用電設(shè)備提供高達(dá)15.4瓦和44至57伏的直流電（在連接點(diǎn)提供12.95瓦的保證功率）。根據(jù)電源要求，可將用電設(shè)備定義為1類、2類或3類。該技術(shù)使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器和一根CAT5（如果電源要求較低則為CAT3）電纜。

該標(biāo)準(zhǔn)的“B方案”在CAT5電纜四對電線中兩對未用于傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的電線上傳輸電力。“A方案”則在電纜的數(shù)據(jù)導(dǎo)線上施加共模電壓，為連接的設(shè)備供電。由于以太網(wǎng)使用差分信號傳輸數(shù)據(jù)，因此施加的電壓不會影響功能。

IEEE802.3at可以向4類用電設(shè)備提供高達(dá)30瓦（到用電設(shè)備為25.5瓦）和50到57伏的直流電。與早期技術(shù)的350毫安(mA)相比，PoE+的最大電流為600毫安(mA)。PoE+僅使用CAT5電纜，降低了阻抗和功率損耗。

IEEE802.3at修訂版向后兼容IEEE802.3af，而最新的IEEE802.3-2012標(biāo)準(zhǔn)則合并了802.3at規(guī)范。

除功率等級之外，PoE元件可劃分為兩個(gè)類型：

1型兼容IEEE802.3af規(guī)范。

2型兼容IEEE802.3af和802.3at規(guī)范。

最新版的標(biāo)準(zhǔn)禁止在CAT5電纜的所有四對雙絞線上傳輸電力。不過，所謂“4對PoE”的提議也已取得進(jìn)展，最早可能于今年（2018年）加入到標(biāo)準(zhǔn)中。4對PoE引入了5類、6類、7類和8類用電設(shè)備，可提供高達(dá)90瓦（到用電設(shè)備為71瓦）和960mA的電力。

PoE系統(tǒng)的要素

IEEE802.3af定義了兩種類型的PoE設(shè)備：用電設(shè)備(PD)和供電設(shè)備(PSE)。PSE從傳統(tǒng)電源吸收功率，然后管理在以太網(wǎng)上分配的電力。反過來，PD通過RJ45連接器獲得供電，因而無需使用內(nèi)置電源。PoE能夠在運(yùn)行長度達(dá)數(shù)十米(m)的典型以太網(wǎng)電纜上為用電設(shè)備供電。

PoE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PSE與PD之間的信號傳送。此信號傳送可讓PSE檢測到符合規(guī)范的設(shè)備，避免對連接到網(wǎng)絡(luò)的非PoE設(shè)備造成可能的損害。導(dǎo)線間施加了2.8到10伏的直流電壓，連接的用電設(shè)備提供19到27千歐(kΩ)的阻性負(fù)載，并使用不超過120毫微法(nF)的并聯(lián)電容器作為“簽名”。檢測到PSE后，PSE將與PD協(xié)商，確定所需的功率。

PSE以端點(diǎn)或中跨方式獲得供電。端點(diǎn)（或PoE交換機(jī)）是采用PoE/PoE+傳輸電路的以太網(wǎng)交換機(jī)。中跨是位于常規(guī)以太網(wǎng)交換機(jī)與用電設(shè)備之間的PoE“供電器”，目的是在不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信號完整性的情況下增加功率。

端點(diǎn)通常用于新安裝的設(shè)備，或在較舊的網(wǎng)絡(luò)完全升級至PoE+時(shí)使用。在需要保留現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)以降低成本和簡化安裝的情況下，可采用中跨進(jìn)行PoE+網(wǎng)絡(luò)升級（圖1）。中跨供電器的示例如MicrosemiCorporation符合IEEE802.3at規(guī)范的PD9001。

圖1：在將現(xiàn)有的以太網(wǎng)升級至PoE時(shí)通常使用中跨PoE安裝，因?yàn)檫@樣可以保留已安裝的電纜并降低成本。（圖片來源：MicrosemiCorp.）

端點(diǎn)和中跨實(shí)現(xiàn)還有一點(diǎn)更重要的區(qū)別；規(guī)范僅允許在B方案的實(shí)現(xiàn)（即在電纜中的非數(shù)據(jù)傳輸對上傳輸電力時(shí)）中使用中跨（圖2）。

圖2(a)：PoE/PoE+B方案要求在CAT5以太網(wǎng)電纜的備用線對（非信號）上傳輸電力。中跨PoE實(shí)現(xiàn)只能使用此配置。（圖片來源：SiliconLabs）

圖2(b)：PoE/PoE+A方案要求在CAT5以太網(wǎng)電纜的信號線對上傳輸電力。端點(diǎn)PoE實(shí)現(xiàn)可使用A方案和B方案配置。（圖片來源：SiliconLabs）

早期的PSE采用分立電路，并劃分為電源與以太網(wǎng)絡(luò)之間的通信接口。為簡化PoE系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有廠家后來引入了集成的PSE控制器，將PoE+接口電路與電源結(jié)合起來。最近，系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了進(jìn)一步簡化，增加了PSE控制器的功能，如此便可通過集成一個(gè)微控制器實(shí)現(xiàn)多端口的本地監(jiān)控。

實(shí)用PoE電源管理IC解決方案

SiliconLabs的Si3459PoEPSE端口控制器是一個(gè)單芯片解決方案實(shí)例。該芯片設(shè)計(jì)為在PSE端點(diǎn)中使用，并且集成了八個(gè)獨(dú)立端口，每個(gè)都帶有用電設(shè)備檢測和分類功能。此外，Si3459還可實(shí)現(xiàn)使用直流檢測算法的用電設(shè)備斷連、軟件可配置每端口電流和電壓監(jiān)視以及可編程限流功能。盡管芯片集成了一個(gè)8051微控制器，但還需要一個(gè)主機(jī)處理器才能實(shí)現(xiàn)完全控制。此處理器通過一個(gè)三線I2C兼容型串行接口與Si3459通信。通過在PoE系統(tǒng)中使用Si3459，設(shè)計(jì)人員可以大幅減少設(shè)計(jì)的元件數(shù)和復(fù)雜度。

SiliconLabs提供了適合基于Si3459的設(shè)計(jì)的評估套件Si3459-KIT。在正常工作期間，Si3459由主機(jī)處理器通過芯片的I2C接口進(jìn)行控制，套件中包含圖形用戶界面(GUI)，因而可以更輕松地顯示和控制Si3459的I2C寄存器。評估套件需要使用PC，通過提供的GUI來控制評估板。套件包含兩個(gè)支持16端口演示系統(tǒng)的Si3459控制器。每個(gè)端口可提供30瓦的功率。

在計(jì)算PoE系統(tǒng)的功率要求時(shí)，需要考慮電纜損耗，這一點(diǎn)很重要。在1型配置中，該規(guī)格允許的PSE與PD之間的最大電纜電阻為20Ω(Rmax)（圖3）。此外，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了PSE最大輸出電流(IPSE_out_max)、PSE最小輸出電壓(VPSE_out_min)和PSE輸出功率(PPSE_out)。此配置會造成約2.5瓦的電纜損耗，以及PD處出現(xiàn)相應(yīng)的功率和電壓下降。

圖3：在這個(gè)1型配置中，20Ω電纜電阻導(dǎo)致電纜上出現(xiàn)2.45瓦的功率損耗。因此，傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的功率降至12.95瓦，電壓則降至37伏。（圖片來源：SiliconLabs）

類別PSEPout最大值[W]Rcable最大值[Ω]PSEVout最小值[V]PSEIout最大值[mA]最大電纜損耗[W]PDPinmax[W]015.402044350.002.4512.9513.84204487.270.153.6926.492044147.500.446.05315.402044350.002.4512.95430.0012.550600.004.5025.50

表1：PoE0類、1類、2類和3類（1型）以及4類（2型）電纜的功率損耗。（圖片來源：SiliconLabs）

配置多端口PoE安裝

POE+的采納增強(qiáng)了該技術(shù)的實(shí)用性，因?yàn)樗墓β蕚鬏敻撸试S開發(fā)人員連接高耗電的設(shè)備，例如帶有平移、傾斜和縮放功能的安防攝像機(jī)。不過，包含數(shù)十個(gè)用電設(shè)備的大型系統(tǒng)需要大型電源，并且設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。例如，考慮一個(gè)包含50個(gè)用電設(shè)備的系統(tǒng)，且所有設(shè)備均吸收可供2型系統(tǒng)使用的最大功率；這時(shí)電源需要提供1.5千瓦（50x30瓦）功率。而且，大型商用PoE+系統(tǒng)往往包含備用電源，以應(yīng)對主設(shè)備故障。

但在典型的大規(guī)模PoE+安裝中，許多用電設(shè)備并不要求系統(tǒng)能夠提供最大功率。例如，Wi-Fi路由器、VoIP電話和LED燈等設(shè)備需要的功率小于10瓦。盡管這會降低電源的總體需求，但它增加了配置系統(tǒng)電源管理的難度。

芯片供應(yīng)商通過提供電源管理控制器，減輕了設(shè)計(jì)人員的PoE+電源管理負(fù)擔(dān)。這些集成的設(shè)備（例如SiliconLabs的Si3484）將會監(jiān)控多端口PoE+實(shí)現(xiàn)的所有功率要求。

Si3484作為電源管理器，旨在監(jiān)控多達(dá)64個(gè)端口（由三個(gè)成組電源供電），從而實(shí)現(xiàn)單一系統(tǒng)電源。盡管Si3484能夠向所有64個(gè)端口提供30W功率，但它的主要設(shè)計(jì)用途是對混合了0類、1類、2類和3類設(shè)備以及在2型安裝中使用4類設(shè)備的系統(tǒng)進(jìn)行配置。

設(shè)計(jì)人員可通過芯片的SPI或UART接口配置Si3484電源管理控制器，以設(shè)置系統(tǒng)的電源容量、端口功率配置（1型或2型）、端口優(yōu)先級、檢測定時(shí)（在方案A與方案B之間略有不同），以及故障恢復(fù)協(xié)議。完成設(shè)定后，Si3484無需主機(jī)處理器介入便可工作。可提供并連續(xù)更新端口和總體狀態(tài)信息。

Si3484設(shè)計(jì)成與上述Si3459PoEPSE端口控制器配合使用。該電源管理控制器使用Si3459的實(shí)時(shí)過載和電流監(jiān)控功能來管理在64個(gè)端口之間共享的電源（圖4）。

圖4：SiliconLabs的Si3484電源管理控制器可與該公司的Si3459端口控制器配合使用，用于控制多個(gè)電源并配置多個(gè)0類、1類、2類、3類和4類端口的輸出。（圖片來源：SiliconLabs）

PoE電源管理

單個(gè)Si3484電源管理控制器可支持多達(dá)8個(gè)Si3459端口控制器（每個(gè)包含8個(gè)端口），從而構(gòu)建出一個(gè)包含64個(gè)端口的安裝。端口控制器負(fù)責(zé)低級端口功能，如用電設(shè)備的檢測和分類，而電源管理控制器則監(jiān)控所有端口之間的功率分配。

開發(fā)人員可以為每個(gè)端口配置可選的功率限制，以限制電源管理器提供給特定設(shè)備的最大功率。如果用電設(shè)備的功率要求大于分配給端口的限制，則該請求將被拒絕，以避免系統(tǒng)過載。

將更多的用電設(shè)備連接到備用端口后，電源管理控制器會根據(jù)用電設(shè)備的分類確定可能的功率要求。如果有足夠的開銷，則進(jìn)行供電，否則拒絕該請求。Si3484也可以在連接過程中動態(tài)調(diào)整授予用電設(shè)備的功率。在發(fā)生端口過載時(shí)，電源管理控制器會關(guān)閉該端口。

Si3484芯片使用基于授權(quán)或用量的策略，并考慮電纜損耗，將功率分配給每個(gè)端口。按照基于授權(quán)的策略，端口不論使用與否，都被分配設(shè)定的功率。新用電設(shè)備的功率將從剩余的功率開銷中分配。此方法的優(yōu)勢在于，如果用電設(shè)備的功耗在工作期間增大，則可以增加供電–前提是沒有超過原始授權(quán)。不足之處在于效率低下，因?yàn)樾碌挠秒娫O(shè)備無法接入現(xiàn)有授權(quán)的未使用分配量（圖5a）。

圖5a：Si3484可實(shí)現(xiàn)基于授權(quán)的電源管理策略，其中的用電設(shè)備不論使用與否，都會被分配了預(yù)設(shè)的功率。這種策略以系統(tǒng)效率為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了靈活的用電設(shè)備功耗。（圖片來源：SiliconLabs）

基于用量的策略更加高效，但如果用電設(shè)備的用量超過了原始分配量，則可能導(dǎo)致端口過載。為避免重復(fù)發(fā)生系統(tǒng)過載，開發(fā)人員可以指定禁止功率保留，在現(xiàn)有用電設(shè)備功耗升至超過原始分配量時(shí)服務(wù)現(xiàn)有用電設(shè)備，而不是將其分配給新設(shè)備。

開發(fā)人員還可以配置Si3484在短時(shí)間內(nèi)提供功率過載。這種過載通常在現(xiàn)代電源的能力范圍以內(nèi)，前提條件是不會持續(xù)過長時(shí)間（圖5b）。

圖5b：基于用量的電源管理策略更加高效，并可實(shí)現(xiàn)功率分配的保留和過載。（圖片來源：SiliconLabs）

在工作期間，如果系統(tǒng)過載小于過載限制，則電源管理控制器會按照優(yōu)先級順序關(guān)閉端口，直至系統(tǒng)不再受到壓力。如果系統(tǒng)已嚴(yán)重過載（如果三個(gè)電源中的一個(gè)離線，可能會發(fā)生這種情況），Si3484將會關(guān)閉所有低優(yōu)先級端口，然后按照優(yōu)先級順序逐一關(guān)閉更多端口，直至系統(tǒng)恢復(fù)安全狀態(tài)。

總結(jié)

PoE和PoE+使得以太網(wǎng)絡(luò)不但可以傳輸數(shù)據(jù)，而且還能傳輸電力。在標(biāo)準(zhǔn)中增加IEEE802.3at修訂后，擴(kuò)充了這種技術(shù)的適用范圍，能夠接受諸如移動安防攝像機(jī)之類更高功耗的設(shè)備。

不過，大型系統(tǒng)中如果有多個(gè)高功率端口，則需要使用大型電源和細(xì)致的電源管理，以避免系統(tǒng)過載和損壞。電源管理控制器簡化了設(shè)計(jì)，允許開發(fā)人員配置多端口PoE系統(tǒng)，從而精確、高效地滿足應(yīng)用的需求。