一直以來以太網(wǎng)都是用于傳送數(shù)據(jù),以太網(wǎng)設(shè)備必須自帶電池或與外部電源相連才能工作。但最新通過的IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了一種新方法,允許以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸線上同時傳送直流電源手蝎。它的功率約為13W榕莺。這樣小型數(shù)據(jù)設(shè)備就可直接用以太網(wǎng)連接來供電,而不再需要電池或與墻上交流電源插座連接。本文介紹以太網(wǎng)線纜電力傳輸工作原理及設(shè)計中的注意事項。

在以太網(wǎng)系統(tǒng)中,我們把提供電源的設(shè)備稱為PSE(Power Sourcing Equipment),而使用電源的設(shè)備叫PD(Power Device)钉鸯。PSE通常是以太網(wǎng)交換器吧史、路由器、集線器或其它網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備,PD則有多種形式,如數(shù)字IP電話唠雕、無線網(wǎng)絡(luò)接入點贸营、PDA或筆記本電腦接駁器、移動電話充電器及HVAC溫度自動調(diào)節(jié)器等等岩睁。實際上,任何需要數(shù)據(jù)連接并能在13W或更低功率下工作的設(shè)備都可無需AC電源或電池供電,僅從RJ45插座就能夠得到相應(yīng)的電力钞脂。

通過以太網(wǎng)電纜傳輸電源

一條CAT-5以太網(wǎng)電纜在一個普通保護(hù)層內(nèi)包含4對24號無屏蔽銅雙絞線,電纜兩端都有RJ45接頭。在一般的10BASE-T或100BASE-TX(10/100)網(wǎng)絡(luò)中,這四對線中的兩對用來傳輸數(shù)據(jù)(稱為信號線對),其中一對用于發(fā)送,另一對用于接收,另外兩對沒有用到(稱為備用線對)湖生。1000BASE-T(通過銅線進(jìn)行千兆級速率傳輸)中4對線都用到了,它與提供電源的以太網(wǎng)在很多方面都兼容狡煎。

如圖1所示,PSE要求信號線對或備用線對(但不是兩者同時)提供額定48V直流電源,電源作為兩個加電的線對間共模電壓差,加到差分?jǐn)?shù)據(jù)信號與線纜耦合的隔離變壓器中間接頭上,發(fā)送線對和接收線對之間的48V電位差不會對兩端數(shù)據(jù)收發(fā)器產(chǎn)生影響。

用于為線路供電的48V電源要與PSE機(jī)箱接地隔離開來,以保持PSE與PD間的分隔澳敞。IEEE定義了兩種隔離方法,稱為環(huán)境A(Environment A)和環(huán)境B(Environment B)瞧纹。環(huán)境A要求PSE機(jī)箱與48V供電隔離,但不要求與相鄰的端口分隔；環(huán)境B要求較為苛刻,它要求端口與機(jī)箱隔離,同時相互之間也要隔離宴宠。為了符合電信方面的協(xié)定,48V DC電源通常又稱作-48V電源澳券。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定環(huán)境A電源只能與負(fù)極(即-48V)接在一起,而在環(huán)境B中,由于電源與機(jī)箱及相鄰端口隔離,所以沒有要求要與哪一極連接。

PD的特性

IEEE 802.3af規(guī)定的PD需符合幾個條件碾危。首先PD應(yīng)能通過信號線對或備用線對接收電源,通常由二極管對兩個電源執(zhí)行“或”運算來實現(xiàn),圖2顯示了一個利用LTC4257構(gòu)成的完整前端乎渊。這個電路還有一個優(yōu)點,就是當(dāng)電源通過另一線對傳輸時,它可以把未用線對的標(biāo)志去除,這也是IEEE規(guī)格所要求的。此時必須用橋堆或其它方法實現(xiàn)自動極性判斷,以便PD交叉或直接通過以太網(wǎng)電纜工作些搅。

當(dāng)用2.7V至10.1V之間的電壓探查時,所有PD在電源輸入端都要有25kΩ特征阻抗∪希考慮到基于二極管的功率控制及自動極性電路,該特征阻抗最多允許1.9V串聯(lián)偏移乏呐。對于網(wǎng)絡(luò)接口卡及沒有電源的集線器等舊式以太網(wǎng)設(shè)備而言,一般共模阻抗大約為150Ω,這與有效PD阻抗相差很大。

當(dāng)用15V至20V之間的電壓探查時,終端會出現(xiàn)另一個可選特征信號剥悟。這個“分級”特征信號向PSE表明PD將使用的最大功率,這樣PSE就可規(guī)劃所提供的電源灵寺。該分級特征信號用流過PD輸入端的恒定電流來標(biāo)示,表1顯示了分級情況及其恒流特性。

當(dāng)PD向PSE表明自己的級別后,PSE會在線纜上加一個44V到57V的電壓,這時PD要遵守幾條規(guī)定区岗。在端電壓升到30V以前,它不應(yīng)該消耗太大負(fù)載電流,這是為了避免與分級特征信號互相干擾略板；但是到電壓達(dá)到42V時,它又必須處于完全工作狀態(tài),不能連續(xù)吸取350mA電流或12.95W功率(以較小值情況為準(zhǔn)),有些情形下可允許400mA浪涌電流。它工作時需要相當(dāng)于20Ω的輸入串聯(lián)電阻,因此在浪涌電流為400mA時可以減掉多達(dá)約8V的電壓慈缔。這樣在電壓開關(guān)的時候就可以產(chǎn)生足夠的滯后,避免首次加載而電壓還很低時產(chǎn)生斷續(xù)波動叮称。PD的輸入電容必須低于180μF,以便在電源接通時將浪涌電流保持在合理的水平；如果輸入電容大于180μF,PD就要主動限制浪涌電流,使它低于350mA藐鹤。最后,PD至少要保持10mA的電流且交流阻抗要維持在26.25kΩ或更少以避免掉線,這又稱為功率維持特征信號瓤檐。

PD的檢測

在PSE向線路加電之前,要用一個功率比較小的探測源檢查特征電阻。PD的電阻必須為25kΩ±5%且并聯(lián)一個120nF或更小電容時才會當(dāng)作是有效的特征信號娱节。相應(yīng)地,PSE要接受19kΩ至26.5kΩ較寬的電阻范圍,以解釋系統(tǒng)的寄生串聯(lián)和并聯(lián)電阻挠蛉。PSE應(yīng)拒絕任何小于15kΩ或大于33kΩ祭示、或者端口電容大于10μF的設(shè)備。

PD特征阻抗允許高達(dá)1.9V的電壓偏移(通常由兩個串聯(lián)二極管產(chǎn)生),以及高達(dá)10μA的電流偏移(通常由PD中的泄漏引起),這些因素使得PSE電阻測量比較復(fù)雜,因為單獨V-I點測量不能克服這些誤差,所以PSE至少要取兩個不同的V-I點,在PD上的間隔至少為1V谴古。然后計算兩個點之間的差異,找到真正的電阻斜率,再減去電壓和電流偏移值质涛。

由于CAT-5電纜一般都鋪在天花板、墻壁及其它有AC走線的地方,所以50/60Hz噪聲會很大少镇。PSE要能夠在這種線路噪聲環(huán)境下有效探測到25kΩ特征,通常通過集成幾個檢測點或使檢測點與線路頻率同步的方法來實現(xiàn)胯炊。全部探測過程必須在一秒內(nèi)完成,因此探測的集成時間只有幾百毫秒。

PD的分級

一旦PSE成功探測到PD,它就會問PD需要多少功率嫉簿。如果PSE的功率足夠大,能同時對所有端口提供全部電源,分級這一步就可以省去抬而。但如果可用功率有限(通常都是這樣),它就要不斷跟蹤有多少個PD連在它上面,功率分級是怎樣的,并且在功率用完時不再接受新的PD。

分級特征通過在PD上加15V至20V之間的電壓檢測,在15V～20V分級特征段,PD要像一個恒流源一樣(見表1),PSE將測量這個電流以決定PD屬于哪一個級別封鹦。分級時PSE用的電壓源電流要限制在100mA以內(nèi),以免損壞失效PD,連接時間也不能超過75ms,以便控制PD的功耗墓老。圖3顯示了系統(tǒng)從探測模式轉(zhuǎn)換成分級模式時PD電流的變化。

掉線檢測

正如PSE不能向不需要功率的設(shè)備發(fā)送功率一樣,PSE一定不能在用電設(shè)備已經(jīng)斷開后還使電源處于接通狀態(tài),因為供電電纜有可能會插在一個不需要用以太網(wǎng)供電的設(shè)備上晾游。802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種方法讓PSE檢測PD是否斷開,即DC斷路法和AC斷路法,實施者可根據(jù)系統(tǒng)的實際情況選擇合適的方法辽蚀。

1．DC斷路法

DC斷路法根據(jù)從PSE流向PD的直流電流大小,從而判斷PD是否在線。在給定的時間t_DIS(300ms～400ms)內(nèi),電流始終小于閾值I_MIN(5mA～10mA之間)電流時,PSE就認(rèn)為PD不存在,將把電源切斷丽信。這種方法唯一的麻煩就是PD將功耗降到低于I_MIN×V_PORT(V_PORT是供給PD的電壓)時,為避免DC斷路而需要周期性突發(fā)電流泳落。低功耗下可以降低最小功率,防止如以太網(wǎng)供電的恒溫器之類設(shè)備發(fā)熱而給出不正確的讀數(shù)。

2．AC斷路法

執(zhí)行AC斷路法的PSE測量以太網(wǎng)端口的交流阻抗物忠。如果沒有東西接在PSE上,端口的阻抗會很高,可能達(dá)到幾兆歐婚被。而當(dāng)接有PD時,端口的阻抗會小于26.25kΩ,如果PD消耗的功率大它還更小。端口阻抗(Z_PORT)通過加電壓(V_AC)然后測量所產(chǎn)生的電流(I_AC),得到Z_PORT=V_AC/I_AC梳虽。圖4中的LTC4259既可以實現(xiàn)AC斷路法也可以實現(xiàn)DC斷路法址芯。

最復(fù)雜的問題源自于PSE輸出特性,它提供電源給PD,但是作為電源,它的阻抗必然很低。串聯(lián)二極管(圖4中的S1B)可以使AC斷接時克服PSE端口低阻抗問題,并在二極管沒有被正向偏置時尋找PD窜觉。802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了負(fù)載調(diào)節(jié)谷炸、輸出阻抗及紋波要求,這樣PSE至少需要0.1μF的旁路電容；即使在100Hz時,圖4中的0.1μF電容也會產(chǎn)生16k的端口阻抗禀挫。加上PD的最大阻抗26.25k,端口阻抗可降至10k旬陡。

本文小結(jié)

一旦PSE成功檢測到PD并將其進(jìn)行分級之后,它就可以決定是否要給它加電。如果PSE可用功率足夠,它就接通電源到PD并開始檢測端口的電源維持特征信號语婴。開始供電后,探測電路就要關(guān)閉,因為PD的UVLO開關(guān)是關(guān)著的,并且PD電源電路的輸入阻抗通常會淹沒掉25kΩ特征阻抗描孟。

現(xiàn)在我們可以得出PSE的完整描述:探測過程判定是否有PD連在端口上；分級程序決定它需要多少功率,從而相應(yīng)地分配它的電源資源砰左；電源維持特征信號表明PD是否仍然存在并且工作正常画拾。反過來,PD也有它自己的方法與PSE溝通,告訴PSE自己是什么、需要多大的功率及是否需要電源保持供電。所有這一切都不會對數(shù)據(jù)流帶來任何影響,因此可以允許有效的PSE和PD不包含數(shù)據(jù)通訊硬件,這對于有些應(yīng)用來說可大大節(jié)省成本摊矮。最重要的是,檢測協(xié)議可最大程度降低對以前以太網(wǎng)設(shè)備的損壞,從而保持了后向兼容性头熏。

作者:Dave Dwelley

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