详解PoE技术发展历程和实现原理

技术背景

随着物联网技术飞速发展，需要提供网络服务的终端越来越丰富，使用传统强电的方式为多种多样的智能终端供电变得越来越困难，以太网供电（Power over Ethernet，简称PoE）技术的普及，正逐一解决各类智能终端的供电问题。目前PoE技术已经从传统的WLAN、网络监控、IP电话等应用场景延伸到新零售、IoT（Internet of Things，物联网）、智慧城市等多种场景被广泛应用，具有成本低、施工方便、供电稳定、运维效率高等特点，本文将结合PoE技术发展历程，讲述PoE技术实现原理。

PoE技术在现有的以太网布线结构不做任何改动的情况下，可以实现为基于IP的终端（如IP电话、无线AP、网络监控等）传输数据信号和提供直流供电，并保持了与现存以太网和用户的兼容性。这样不必在施工环境增加开槽、铺管、穿线、调试、墙体和地面美化等工序，大幅缩短了施工周期，降低了成本。

PoE供电系统中的几个角色定义：

供电设备（PSE）：Power Sourcing Equipment，给终端供电的设备；

受电设备（PD）：Power Device，需要供电的终端。

图1：PSE与PD连接图

PoE技术发展历程

PoE技术出现较早，但早期的PoE技术无规范可循。IEEE 802.3工作组在2003年将其标准化，后来逐渐发展到802.3af、802.3at再到最新的802.3bt，接下来，我们一起看看PoE技术的发展历程。

IEEE 802.3af（PoE）

2003年发布的IEEE 802. 3af标准，它明确规定了远程系统中的电力检测和控制事项，并对路由器、交换机和集线器通过以太网电缆向IP电话、安防系统以及无线接入点等设备供电的方式进行了规定，为符合802. 3af标准的设备提供不超过15W的电功率。

IEEE 802.3at（PoE+）

PoE最大功率难以满足更大功率无线接入点、视频电话、视频监控系统等设备的供电需求，在兼容IEEE 802. 3af的基础上，2009年IEEE 802.3at标准发布，通过CAT-5或更高级别线缆最大能提供30W的功率。

IEEE 802.3bt

IEEE 802.3bt在2018年9月正式被批准，此次标准主要为提供更大功率终端的需求而诞生，在兼容802.3af、802.3at的基础上，可完成最高不超过90W的末端供电和数据传输，突破了PoE+供电30W的局限性。

注：802.3bt已被批准但暂未正式发布，也没有正式命名，当前常用HPoE、PoE++、PoH、UPoE等名称表示。

有了更大的功率，开发人员就可以非常容易地增加更多功能并升级已有产品，以满足监控、门禁、信息发布、停车场，甚至是笔记本电脑、电视等系统中大功率终端供电需求。

相比802.3at（PoE+）标准，802.3bt新增两种供电类型，对应60W、90W输出功率。PSE端能够输出的功率选择性更大，根据PD需要选择相应的PSE端的功率。

三种PoE供电技术标准对比如下：

标准PSE最大输出功率PD输入功率线缆长度供电线对

802.3af15.4W12.95W100m2

802.3at30W25.5W100m2

802.3bt60W51W100m4

802.3bt90W71.3W100m4

表1：三种标准对比

PoE是怎样供电的

PoE供电流程说明

图2：PoE供电流程图

1.检测（Detection）：PSE设备在端口发出2~10V的电压脉冲，用于检测其线缆终端连接的PD是否为标准支持的受电设备。只有检测到PD是一个标准设备，才会继续下一步操作。

2.PD分类（Classification）：由于PD种类很多，需要的电源功率也各不相同，所以在供电设备正确检测到受电设备以后，就要检测对端PD设备的功率等级。

当检测到PD之后，PSE会为PD设备进行分类。PSE施加15.5V~20.5V探测电压（电流限制在100mA以下），PD设备会将一个分级电阻串联到线路中，用来标识自己的功率，PSE通过测试返回特征电流的大小来确定PD设备属于哪个分类。

注：0为默认分类

PoE类型PoEPoE+802.3bt

PD分类等级012345678

PSE功率（W）15.44715.43045607590

PD功率（W）133.846.491325.540516271

表2：最新PD分类等级对应功率说明

3.开始供电（Power up）：当PSE检测到线缆末端接的是一个标准PD，并且已经为PD进行了分类后，就开始为PD供电，输出44~57V的直流电压。

4.供电（Power supply）：PSE为PD提供稳定可靠的直流电压，并根据PD的分类结果输出对应等级的功率。

5.断电（Disconnection）：如果和PD相连的连接线缆被拔掉或者用户从软件上将交换机端口的PoE供电功能关闭，PSE会快速地（一般在30-40ms的时间之内）停止为PD供电。在PSE给PD供电整个过程的任意时刻，如果发生PD设备短路、分类时消耗的功率超过 PSE对应能提供的功率、消耗功率超过等级功率等情况，则整个供电过程会中断，并重新从第一步检测过程开始。

PoE供电线序说明

以PoE标准为例，标准定义了两种供电线序，PSE可适应PD采用任意一种供电线序。

空闲线供电：使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对（4/5、7/8）来传输直流电。

图3：空闲线供电

信号线供电：在传输数据所用的芯线上同时传输直流电（1/2，3/6），其输电采用与以太网数据信号不同的频率，以实现传输数据与传输电流的复用。

图4：信号线供电

PoE+沿用PoE线序，在线序上同PoE保持一致。

802.3bt如何实现更高的功率

随着市场发展，终端对高功率需求日益增加。同时伴随功率负载的增加，电缆温度也会提升。当电缆温度过高时，电缆可能会超出其额定温度，从而降低性能和可靠性（可能导致电缆损坏）。因此，对于超过30W供电需求的设备，则不能像PoE与PoE+仅使用双绞线8芯中的4芯供电。

IEEE 802.3bt标准定义使用双绞线的8芯进行电压输出，以应对市场上对更强大和更高效的以太网供电能力的需求。可以实现：

（1）最高速率兼容10GBASE-T；

（2）在PD端能够得到最低40W、最高90W的功率。

图5：IEEE 802.3bt在PSE&PD端的实现方式

PSE端在实现802.3bt时，在RJ45的8芯上都加载了电压。在1/2和4/5线对上加载54V正极，在3/6和7/8线对上加载54V负极。PD端使用两个二极管桥，两个二极管桥都有电流流过，需要PD端的芯片对两路电流进行控制，输出给 DC-DC 转换电路。

PoE技术总结

现如今PoE技术已经被广泛运用于智慧城市、IoT等行业中，相信在不久的将来PoE技术会得到更大的发展和突破，随着今年802.3bt正式批准（预计2019年正式发布）更高功率终端很快会被大量应用，将助力IoT行业的快速发展。