以太网供电技术

以太网供电技术概述
在过去的一段时间，以太网供电逐渐进入大家的视线，而IEEE802.3af标准的制定，则为以太网供电的大规模应用拉开了序幕。以太网供电(Power over Ethernet， PoE)是一个比较通俗易懂的概念，它通过使用一根五类以太网线缆就可以同时为用户提供数据连接和电源，不需要另外进行布线。这不仅对于那些需要供电、但电源并不方便获取的设备特别有帮助，而且一般的终端设备也可以从这项技术中获益，IP电话、无线接入点、网络安全照相机都是很好的例子。以太网供电的优点是显而易见的，主要包括：
·灵活性：交流电源不再是必不可少的部分，无线接入点也不必再位于交流电源附近。
·远程管理功能：IP电话和无线接入点可以实现远程供电或断电；远程主机可以决定各终端设备需要多少电量，并确定应当启动哪些设备。
·更高的可靠性：可以在远方供电端采用冗余电源。
·全球范围内的兼容性：以太网供电可为我们提供全球范围内通用电源供电标准。
以太网供电技术通过以太网线缆提供约48伏直流电源，提供给每个受电节点的电流限制在350毫安。扣除线缆传输造成的功率损耗，它可提供给每个受电节点的总连续功率为12.95瓦，这对于一般较为小型的用户端设备已经足够。
IEEE802.3af标准定义了制造以太网电源供电设备(Power Sourcing Equipment，PSE)和受电设备(Powered Device，PD)的方法。供电设备是向以太网链路提供电源的设备，而受电设备是从以太网链路接受电源或按照一定规则申请电源的设备。如果要实现真正意义上的以太网供电，两者缺一不可。下面逐一对以太网供电设备和受电设备进行介绍。
供电设备的主要功能为检测是否有受电设备通过以太网链路请求供电，以及检测受电设备的类型，并提供相应功率的电源给受电设备。供电设备根据其应用类型可以分为两种：终端供电设备(Endpoint PSE)和中间供电设备(Midspan PSE)。顾名思义，终端供电设备可以直接通过下行以太网线缆为受电设备提供电源，如采用嵌入式“Power over LAN”技术的以太网交换机；而中间供电设备安装在传统交换机和受电设备之间，传统交换机下行的以太网线是不提供电源的，但以太网线缆通过中间供电设备后就具备了向受电设备输送电源的能力，用户可以在保留现有传统交换机的情况下通过以太网为受电设备提供电源，尽量减少一次性的投资。
供电设备支持两种以太网供电模式，分别命名为模式A和模式B：模式A采用以太网线缆中的1，2，3，6 四根数据线(注：1，2线为发送数据线，3，6线为接收数据线)来传输电源，模式B则采用以太网线缆中的4，5，7，8 四根空闲线来传输电源。终端供电设备的下行链路可以采用模式A，或模式B，也可针对不同的链路分别采用两种模式。并且这类设备可以兼容十兆，百兆，乃至千兆的以太网。值得注意的是：在实际使用中，终端供电设备不应同时以A和B两种模式向同一条以太网链路上传输电源，一条以太网链路在同一时刻只会工作在一种模式下。而对于中间供电设备而言，一般只采用以太网线缆中的4，5，7，8 四根空闲线来传输电源，即只能工作在模式B，并且目前的标准还不支持千兆以太网。
图1、图2和图3分别给出三种供电模式的示意图，可以帮助大家更好的了解三种供电设备供电情况的区别及其各自的应用特点。
为了与供电设备的几种供电模式相配合，IEEE802.3af标准规定：一个标准的受电设备应该既可以从以太网线缆中的1，2，3，6 四根数据线来获取电源，也可以从以太网线缆中的4，5，7，8 四根空闲线来获取电源，但不会同时通过两种途径。原因是供电设备的一条以太网链路不会同时工作于A和B两种模式，从图1中也可以清楚的看到这一点。当然，受电设备绝对不允许向以太网线提供电源，而且必须保证受电范围为直流0-57V电压而不致损坏，出于安全考虑，这些规定是很必要的。

图1 终端供电设备(模式A)

图2 终端供电设备(模式B)

图3 中间供电设备(模式B)

以太网供电技术原理
如果要实现以太网供电，必须遵循一定的条件。这一点很容易理解，因为如果终端设备不支持以太网供电方式，但供电设备对其强行供电的话，很可能会出现问题，所以供电设备必须率先启动检测算法，来判断是否有受电装置连接到链路。具体方法是向各条下行链路馈送2.8V至10V的电压，并实时检测线路的电流。当有受电设备连接到以太网链路后，受电设备将一个阻值在23.75至26.25千欧之间的检测电阻串联到链路中，致使整条链路的电流发生变化，相当于向供电设备发送有效的申请电源信号。于是供电设备知道有受电设备已经连接到以太网链路上并正在申请供电。值得说明的是：如果检测电阻在12至23.75千欧之间或在26.25至45千欧之间，供电设备将会正确检测到受电设备，但并不认为受电设备在申请电源，当然也不会向受电设备输送电源，而如果相应的电阻值小于12千欧或者大于45千欧，供电设备将根本不会正确识别受电设备。
一般情况，到此为止供电设备应该可以向受电设备输送电源了。但受电设备种类众多，需要的电源功率也存在很大差别，所以供电设备接下来会进行选择性的功率分级操作，以便知道应该给链路上的受电设备分配多大功率的电源。具体实现方法是供电设备会增加向链路馈送的电压至15.5V到20.5V之间，同时检测链路上的电流。此时，受电设备会将一个分级电阻串联进链路中去，该分级电阻的大小同样会直接改变整个链路的电流值，供电设备由此就可以知道受电设备的分级情况。
分级操作是为了向供电设备提供受电设备正常工作时需要的最大功率信息。默认情况下是0级。受电设备最好能够根据本身的实际情况向供电设备上报自己的实际级别，这样可以方便供电设备对受电设备进行电源管理。受电设备的电源级别共有0-3级，在表1中详细的列出了几种级别的区分标志。
上面提到的检测电阻和分级电阻在完成其各自的使命后应该可以从电压馈送链路中移去，才不至于成为一个新的功率消耗源。较为常见的用法是通过场效应管控制检测电阻和分级电阻的连接和断开，这样的实现方法较为灵活。
在了解到受电设备的确切电源级别后，供电设备会将馈送电压升高至48伏，开始向受电设备的电源馈电，但必须注意几个因素，如浪涌电流限制、过压保护以及欠压锁定等问题，这几点会结合TPS2370芯片的应用时具体谈到。
 
TPS2370的基本特性
TI公司的TPS2370就是一款专用的受电设备侧的以太网电源管理芯片，它完全符合IEEE802.3af的相关标准，具备所有必须的检测、分类、浪涌电流限制等功能，其内置场效应管可以实现最大容量的电量传送，此外，它还拥有高可靠性的内部过温保护功能。
* TPS2370应用框图(见图4)
* TPS2370引脚说明(见表2)
* TPS2370的应用分析
在以上TPS2370的应用框图中，前端的整流桥可以用来避免输入电压的极性倒转，并实现自动极性纠正，这样可以自动适应不同的电源极性，同时，它可以使得输入电压适当降低。而放置两个整流桥的目的是可以兼容供电设备的A和B两种工作模式，既可以从以太网的数据线中提取电源，也可以从以太网的空闲线中提取电源，这样可以有较宽的适用范围。TPS2370的最大允许输入电压为68伏，完全满足IEEE802.3af的要求。实际应用中一般也不会出现大于68伏的情况，然而不排除会有热插拔而引起超过68V的瞬态高压，这时，在整流桥后端放置一个齐纳二极管就显得非常重要。齐纳二极管可以完成过压保护功能，最大限度保证后端电路的安全。同时，通过改变TPS2370引脚ILIM连接的限流电阻值，可以设定浪涌电流的限制值，用户可以根据具体情况进行选择。
在TPS2370控制下输出的48伏左右的直流电压虽然较为稳定，但相对于受电设备的数字电路工作电压来说显得太高，所以，紧接着的DC/DC变换器会将48伏电压降低至数字电路需要的电压等级。
下面简要描述一下基于TPS2370作为以太网电源管理芯片的受电设备的受电流程。
首先，供电设备向以太网链路上馈送2.8伏至10伏的直流电压，在前端整流桥和齐纳二极管的帮助下，TPS2370可以顺利的检测到该电压，并立即激活一个内置场效应管，相当于将DET引脚和VEE引脚进行内部连接，其结果是把检测电阻串联到电压链路，改变整个链路的电流值，此举将通知供电设备有受电设备在申请电源。这个内部场效应管仅仅在馈送电压在2.8伏至10伏时才会打开。一旦完成了检测功能，馈送电压升高后检测二极管自动关闭，不再串联在链路中。
在成功的检测到有受电设备正在申请电源时，供电设备会增加输出电压值到15.5伏至20.5伏之间，开始检测受电设备的功率级别。TPS2370使用内部调节器在CLASS引脚产生一个固定输出电压，连接在CLASS引脚和VEE引脚间的分级电阻也会开始吸收一定大小的电流，导致整个链路的电流发生变化，供电设备根据此时的链路电流值就可以决定受电设备的功率级别，并开始为受电设备分配相应功率的电源，馈送电压也会快速升高到48伏左右。
一旦电压越过欠压锁定的门限值(如40伏)，TPS2370内部的内置场效应管将自动开启，相当于将后端的电源回路导通，实现对后端电路的持续供电，只有在输入电压减少到30伏以下，内置场效应管才会自动关闭，停止向后端电路供电。
如果TPS2370后端的受电设备发生短路或过载的情况，TPS2370则开始升温，当达到门槛时，其内置场效应管被关断，停止向后端馈送电源。当芯片足够冷却后，又将重新开启内置场效应管，如果短路或过载情况仍然没有消失，TPS2370会重复7次热关断过程，如果还不能正常供电，就会自动闭锁内置场效应管，除非再次上电才能够解除闭锁状态。这种热保护机制可以为受电设备提供可靠的保护。

结语
随着五类以太网线缆延伸到生活中的各个角落，以太网供电技术将给我们的生活带来巨大的方便，也会越来越受到人们的欢迎。对于设备制造商而言，尽管现在只有为数不多的网络支持以太网供电，但在新的设备中预留以太网供电的接口无疑是很明智的选择。在今后的几年中，以太网供电将怎样改变我们的生活，我们拭目以待。