1 POE 技术概述与标准体系POEPower over Ethernet以太网供电是一种通过标准以太网双绞线在传输数据的同时传输直流电力的技术最远支持 100 米距离。系统由两类设备构成PSEPower Sourcing Equipment供电设备如 PoE 交换机负责输出电力PDPowered Device受电设备如 IP 摄像头、无线 AP负责接收电力。其核心价值在于简化布线、降低部署成本尤其适用于安防监控、无线覆盖、物联网终端等场景。1.1 标准演进与功率等级POE 标准由 IEEE 制定并持续演进功率能力逐代提升。不同标准对应不同的电流等级直接决定了网络变压器等磁性器件的选型要求标准发布年份PSE 输出功率PD 最大功率典型电流线对使用IEEE 802.3afPoE200315.4W12.95W350mA2 对线IEEE 802.3atPoE200930W25.5W720mA2 对线IEEE 802.3bt4PPoE201860W~100W71W~90W1200mA4 对线1.2 PD 功率分级PSE 在供电前会通过分级阶段读取 PD 的功率等级Classification据此分配电力资源。等级越高优先级与功率需求越大等级 Class功率范围典型应用00.44W ~ 12.95W普通 IP 电话、基础摄像头10.44W ~ 3.84W低功耗传感器23.84W ~ 6.49W简单无线 AP36.49W ~ 12.95WPTZ 摄像头412.95W ~ 25.5W高性能无线 APPoE5~8bt 25.5W大功率网桥、LED 照明1.3 关键供电参数PSE 输出特性电压范围 44~57V典型 48V最大电流 550mA启动时不超过 500mA空载电流 ≤5mA。线缆要求建议使用 Cat5e 及以上网线避免长距离电阻损耗导致压降过大。功率匹配PSE 输出功率需大于 PD 需求例如 Class 4 设备需 PSE 支持 25W 以上。2 POE 供电原理与拓扑结构2.1 数据与电力的复用机制POE 的核心在于数据信号与电力信号共用同一根网线传输。其物理基础是网络变压器对高频差分数据信号呈现隔离、对直流呈现导通的特性。PSE 将 48V 直流通过变压器的中心抽头Center Tap注入线缆利用变压器对直流的通路完成供电而对高频数据信号无影响从而实现电力叠在数据上而不互相干扰。在千兆以太网1000BASE-T中全部四对双绞线都用于数据传输因此 POE 供电必须通过四对线的中心抽头同时注入4PPoE 模式。百兆下 1-2/3-6 传数据、4-5/7-8 空闲可用空闲对供电Mode B。2.2 供电路径拓扑2.2.1 PSE和PD端电路设计PSE端电路设计PSE端主要包含PSE芯片MOS管有些PSE芯片MOS管是集成在芯片里面的自恢复保险丝还有TVS管一般这个TVS管保护电压是58V电阻是用来检测POE传输的电流的一般是0.几欧姆Vpwr网络和VN_POE信号接到网络变压器中心抽头或者RJ45。PSE端电路设计PD端电路设计PD端会有两个整流桥一个接在网线1236对应的网络变压器的中心抽头另一个接网线4578对应的网络变压器中心抽头或者RJ45的4578引脚这两个整流桥的目的是无论12和3645和78为正还是负都会保证上面为正下面为负。然后PD芯片还会作为后面反激电路的控制芯片把POE标准的37-57V降到我们板级需要的12V或者其它电压。PD端电路设计2.2.2 POE 供电路径模式POE 支持两种供电路径模式Alternative AMode A使用数据线对的中心抽头供电1000M网络无空闲线必须用该模式。Alternative BMode B使用空闲线对45、78供电。下图是百兆以太网的A类接法网线的1236既传输数据又传输电源PSE电源的两个网络是加在网线1236对应的网络变压器中心抽头从而传输到网线。100M A类接法3 POE 握手供电流程PSE 不会盲目向线缆供电而必须先与 PD 完成握手协议确认对端是合法 PoE 设备后再逐步上电以防误接非 PoE 设备造成损坏。完整流程分为四个阶段第1次握手Signature 特征检测识别是不是PD1. PSE端口待机输出低压探测信号2.7~10.1V电流很小不会损坏普通网卡。2. PD端设计一个25kΩ特征电阻signature resistor跨接在网线差分对MDI上。3. PSE测量差分对上的V/I算出电阻测得≈25kΩ → 判定是POE受电设备PD进入下一步测到是几十k或者开路普通电脑网卡→ 不送电握手结束。原理普通网口没有这个25k电阻这是PD的“身份证”。第2次握手Class分级检测PD告诉PSE自己要多少瓦识别成功后PSE抬升电压到 14.5V ~ 20.5V根据回路电流判断Class等级PD内部通过拉电流告诉PSE自己的功率需求。PSE记录这个功率需求进入第三步。第3次握手PSE功率校验PSE读取Class等级检查本POE端口剩余功率是否足够端口功率余量 ≥ PD所需功率 → 允许上电功率不足交换机POE预算耗尽→ 拒绝上电握手失败。典型场景POE交换机总功率上限多个AP满载后后面接入的PD会握手失败不输出48V。第4次握手48V上电 持续维持检测PSE确认可以供电端口输出48V直流主供电。PD上电之后必须继续维持25kΩ signature电阻PSE会周期性持续监测特征电阻如果网线拔掉、PD损坏25k电阻消失 → PSE在几百ms内切断48V保护。上电完成后POE供电通道稳定之后才开始以太网PHY协商自协商100M/1000M。POE握手流程图POE握手机制的优势1. 保护非POE设备最关键普通电脑网卡、路由器网口耐压只有3.3V/5V。如果直接硬上48V瞬间烧毁网口芯片。低压探测25k识别保证只有带PD电路的设备才给48V。2. 功率协商防止PSE过载PSE交换机有整机功率上限。通过Class分级PSE提前知道负载功耗避免同时带太多大功率PD导致电源过载、掉电。3. 热插拔安全断线保护网线热插拔时重新走握手一旦线缆断开、PD短路PSE检测不到25k立刻关48V起到保护。4. 区分伪POE非标POE直接强制48V无握手没有这套识别插普通网卡直接烧这也是标准802.3af/at和非标POE最大区别。4 POE 场景下的特殊考量1变压器必须 POE 型POE 供电的 48V 从变压器初级线缆侧中心抽头注入该绕组需承载 PoE 直流电流。普通非 PoE 变压器线径细强行承载会过热烧毁。必须选标注 PoE 等级如后缀P或PTG的型号其初级中心抽头绕组加粗、磁芯直流偏置不饱和。2中心抽头供电与信号分离POE 利用变压器对直流导通、对高频数据信号隔离的特性48V 直流经初级中心抽头注入并到达 PD 端中心抽头再经整流桥送入 PD 控制器而千兆差分数据经变压器耦合到 PHY两者互不干扰。PHY 侧次级中心抽头仅提供直流偏置与 PoE 48V 注入是两个独立节点不可混接。3Bob Smith 在千兆 PoE 中的接法千兆模式下四对线全部用于数据Bob Smith 电路改为连接四对线的初级中心抽头每对线一个 75Ω 电阻汇集到公共节点后经 1nF/2kV 电容接地。PoE 供电时初级中心抽头同时承担直流供电注入功能而 75Ω 电阻与 1nF 电容对直流呈高阻抗电容隔直不影响 48V 供电回路但对高频共模噪声仍保持低阻抗旁路。4 PD 端中心抽头走线PD 端变压器初级中心抽头连接到 PD 控制器输入走线应足够宽≥20mil以承载 PoE 电流并远离差分信号线避免感应噪声。在变压器下方与周围增加散热过孔帮助传导 POE 大电流下的热量。5放置防护器件MDI链路防护sh以MAE0621A-Q3C千兆PHY芯片为例为提高电路防护性能保护PHY芯片变压器和PHY之间的MDI链路可增加串阻差分对之间放置TVS管。
复杂度详解)
