PoE基础介绍

PoE概述

什么是PoE

• PoE (Power over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。PoE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。
• 基于IEEE 802.3at 通用标准，PoE供电系统分为PSE与PD两个部分。

1. PSE(Power Sourcing Equipment)：PSE设备是为以太网客户端设备供电的设备,同时也是整个PoE以太网供电过程的管理者。
2. PD(Powered Device)：PD设备是接受供电的PSE负载,即POE系统的客户端设备,如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑( PDA)或移动电话充电器等许多其他以太网设备。
   

PoE的优势

1. 低成本：功率和数据共享一组线缆，降低了布线与设备成本。
2. 高灵活：网路设备能够随意安装和改装，无需考虑电源供给问题。
3. 高可靠：PSE设备能够对功率进行管理，会进行功率限制保护，更加的安全。

PoE标准

• 在2003年，最先提出了IEEE 802.3 af标准，将PSE的最大功率约定在15.4W，PD的最大功率约定在13W；随后，在2009年提出了IEEE 802.3 at标准，将PSE的最大功率提高至30W，PD的最大功率提高至25.5W；如今，在2019年提出了IEEE 802.3 bt标准，将PSE的最大功率提高至90W，PD的最大功率提高至71W。

802.3 规定了什么

1. 功率
   PSE最大输出功率 af:15.4W, at:30W, bt:90W, POE++:90W
   PD最大得到的功率 af:12.95W, at:25.5W, bt:71W, POE++:71W
2. 检测、分级电平
   检测：1.5V-10V，25K检测电阻
   分级电平：高—15.5V-20.5V 低—5.6V-10V
   分级电流：Class0-0mA Class1- 10mA Class2- 20mA Class3-30mA Class4-40mA
3. 欠压点
4. 各种电流门限（过流、inrush、MPS电流）
5. 各种时间门限（过流允许时间、断开时间等）

IEEE 802.3 af

• 最先提出的协议规范为 IEEE 802.3 af(通常俗称PoE)，直流电压在44～57V之间，典型值为48V。典型工作电流为10～350mA，典型的输出功率为15.4W，受电功率为12.95W。超载检测电流为350～500mA。在空载条件下，最大需要电流为5mA。为PD设备提供3.84～12.95W四个Class等级的电功率请求，具体分级标准如下：

IEEE 802.3 at

• 由于IEEE802.3af标准使受电设备(PD)上的PoE功耗被限制为12.95W，这就限制了以太网电缆供电的应用范围。为了克服PoE对功率预算的限制，推出新标准：IEEE802.3at（也称为PoE+），它将功率要求高于12.95W的设备定义为Class4，将功率水平扩展到25.5W。
• 直流电压在50～57V之间，典型值为50V。典型工作电流为10～600mA，典型的输出功率为30W，受电功率为25.5W。受电设备PD支持Class4的分级。
• IEEE802.3at与802.3af相比，802.3at可输出2倍以上的电力，受电设备PD可以最大使用25.5W，PSE将为其提供30W的直流电源。PD以Class4分级的电流响应，告诉PSE是否能够为其提供802.3at规定的较高功率。

IEEE 802.3 bt

• 随着受电设备所需功率不断提高，而在2009年的802.3at标准后的10年时间内，并无对应的新标准出现，故为填补这一使用空白期，各大厂家提出了PoE++标准，作为过渡阶段的应用规范。终于，在2019年，IEEE 802.3 bt标准正式提出，802.3bt规范引入了四种新的高功率PD分级(Class)，从而使单特征类别的总数达到9个。Class5~8对于PoE标准而言是新的，并分别对应40.0W至71W的PD功率水平。具体功率分级标准如下：

• 802.3bt可向后兼容802.3at和802.3af。一个较低功率802.3at或802.3af的PD可连接至一个较高功率802.3bt的PSE，不会出现任何问题。而当一个较高功率802.3bt的PD连接至一个较低功率802.3at或802.3af的PSE，PD只需能够工作在各自的较低功率状态即可，这被称为“降级”。

各类网线支持的PoE协议

PoE工作原理

PoE工作过程

• PoE的工作过程具体可分为：检测，分级，上电，正常工作，断电，共五个部分。

1. 检测
   PSE通过发出2.8V_{10V信号到电源线上，来寻找有效的PD设备。当有效的PD设备感测到此电压，会在PD端加23.75kΩ}26.25kΩ的电阻，PSE一旦感测到产生的电流，认为此时有一有效的PD在请求电源。
2. PD端设备的功率分类
   当检测到受电端设备PD之后，PSE设备会通过发出14.5V~20.5V的电压为PD设备进行分类，并且评估设备所需的功率损耗。并为PD设备提供四个(af标准)或五个(at标准)等级的功率请求。
3. 上供电
   在一个可配置时间(一般小于15μs)的启动期内，PSE设备开始从低电压向PD设备供电，直至提供48V的直流电源。
4. 正常工作
   上电完成后，进入正常工作状态。PSE为PD设备提供稳定可靠48V/50V的直流电供给，可满足PD设备不超过12.95W/25.5W的功率消耗。
5. 断电
   若PD设备从网络上断开时，PSE就会快速地(一般在300～400ms之内)停止为PD设备供电，并重复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。
   

PoE侦测

• PoE的侦测共分为如下四个步骤

1. 首先PSE发出两个弱电流信号（0.24mA和0.16mA)给PD，在PD端的25K检测电阻上产生两个不同的电压，从而进行判断连接设备是否为PD设备。且PSE输出的电流极低，故即便将PSE连接到一个非PoE受电设备上，也不会导致受电设备的烧毁。
2. 为保证检测的正确性，防止误检，PSE会发出两个低电压信号（8V和4V）给PD，测量当25K检测电阻上流过的电流，进行二次确认设备是否为PD设备；
   
3. 当两次检测均正确，我们即认为，连接设备为有效的PD设备，并根据以上两步去计算$R_{DET}$的大小

$R_{DET}=\frac{\Delta V_{i}}{\Delta I_{i}}=\frac{V_{2}-V_{1}}{I_{2}-I_{1}}$

4. 如果$R_{DET}$的大小在19K-26.5K之间，则进入下一步分级阶段。
   

• 需要注意，PoE要求PD端口的电容不可大于2.7uF，若电容过大，则会影响PSE的检测判断。

PoE分级

• 利用分级电阻，PD可以清楚的告诉PSE，我的设备需要多大的功率。
  
• PSE通过检测流过分级电阻的电流，来判断PD的具体分级。
  
• 对于不同标准，具体的分级过程还略有区别，会有不同次数的分级检测过程。

1. 对于802.3af标准，只需要进行一次分级检测即可上电
   
2. 对于802.3at标准，则需要进行两次分级检测才可上电。
   
3. 对于802.3bt标准，则需要进行三次分级检测后才才可上电。
   

• 之所以要进行多测分级检测才上电，这是为了让PSE告诉PD设备，我有什么样等级的供电能力。不妨假设，PD设备为一满足802.3bt标准的最大50W设备，若该设备接在只支持802.3at标准的PSE上时，在进行两次分级检测后就会上电，则PD设备就知道，PSE最大只能提供25.5W的输出功率，从而进行功率降级。

PoE门限电流

• PSE设备会将PD设备端产生的电流，通过一0.1Ω的电阻，并测量电阻上的电压从而获得具体的分级信息。对于检测分级的电流非常微弱，需要注意电流采样布线需采样Kelvin接法。PSE设备会根据不同的分级结果，设定不同的限流值。
• 分级电流通过0.1Ω后的电压对应的分级如下图所示：
  

PoE具体实现

小功率PoE(802.3at)

• 对于小功率PD，PSE可通过数据变压器的中心抽头注入到数据线对或空闲对；PD设备通过数据变压器的中心抽头将功率取出。
  

大功率PoE(802.3bt/PoE++)

• 对于大功率PD设备，为降低网线损耗，所有4对线全部参与功率传输；802.3bt规定由2个PSE口供电；
  POE++规定由1个PSE口供电。
  

参考：
如何拥有系统化开发能力(第二部分)