以太网供电 (PoE) 在各种应用中的采用显着增长，这主要是因为它可以为设计人员和最终用户提供额外的好处：工作站的电线更少，劳动力成本更低，并且能够运行以太网 LAN 电缆无需电工即可为设备提供电源和数据。工程师不仅应该了解 PoE 标准，设计 PoE 应用的人员在设计 PoE 时还应该考虑几个注意事项。
概述
PoE 通过以太网电缆安全地向设备提供数据和电源，无需单独的电源线或电源。PoE 可以在长距离电缆传输过程中保持功率强度，而无需使用电源中继器向电缆注入更多电流。因此，PoE 设备可以安装在任何有以太网端口的地方。这使得 PoE 成为楼宇和办公室管理应用的理想选择。
相比之下，竞争标准——USB供电——在长电缆上会出现显着的功率损耗和较低的功率强度。
近年来，PoE 的采用显着增加，这主要是由于支持 PoE 设备的建筑基础设施的重组以及提供 LAN 连接通信的设备的可用性不断提高。其中包括基于 IP 的电话、无线接入点、室外监控摄像头、POS 系统、火灾报警系统和其他楼宇管理设备。
尽管 PoE 设备已上市多年，但企业不断更新和开发其网络和办公基础设施，允许连接更高速度和更高功率的设备。为了满足这些需求，制定了 PoE+ 标准。


图 1：电气和电子工程师协会 (IEEE) PoE 标准
电气和电子工程师协会 (IEEE) 负责管理 PoE (IEEE 802.3af) 和 PoE+ (IEEE 802.3at) 标准。在某些应用中，PoE+ 设备可以提供比 PoE 设备多得多的功率。这是通过数据速率为 10mbs、100mbs、2.5gbs、5gbs 或 10gbs 的标准 CAT 3 或 CAT 5 以太网电缆完成的。
事实上，现有的具有两对符合 IEEE 802.3af (PoE) 电缆的系统可设计用于 15W 输出，而使用 IEEE 802.3at (PoE+) 设计用于 30W 输出也可实现同样的效果。 IEEE 802.3bt (PoE++) 标准专为四对电缆而设计，旨在为具有更高功率需求（60 W 和 90 W 级别）的设备供电。
PoE 设备通常分为两种类型：供电设备 (PSE) 和受电设备 (PD)。PSE 的常见示例包括网络交换机、注入器、中继器和扩展器。PD 的常见示例包括基于 IP 的电话、接入点和室外监控摄像头。在某些情况下，调制解调器或路由器等设备属于这两类。通常，PSE 传输电力和数据，而 PD 既消耗电力又消耗数据。
PSE 利用 Cat 3 或 Cat 5 电缆内的信号对为 PD 供电。其他对可用于数据或保持未使用。PoE+ 仅使用 Cat 5 电缆，因为它的电缆数量是 Cat 3 电缆的两倍。这为 PD 提供了更多的电力、数据和可靠性。


图 2：服务器、基站、路由器和安全摄像头应用中 PoE 和 LAN 的电源和保护构建块示例。
应用设计考虑因素
在了解了各种规范和标准之后，工程师应该考虑其设计的应用，包括设备的类型以及在产品的整个生命周期中如何使用它。他们应评估应用的位置和环境，包括设计是否将在室内或室外使用，这将告知应用的保护要求。他们还应该了解用户在设置 PD 或 PSE 时的体验，包括应用程序是固定的还是移动的。其他设计考虑因素包括浪涌保护和抑制、数据速率、功率速率和安全性。
作为受电设备所需的不同应用要求的一个示例，基于 IP 的电话可能需要在其整个生命周期内由典型的非技术员工在办公室内和隔间之间多次移动。相比之下，室外监控摄像头需要额外的环境保护，并且在 IT 人员初始设置后将保持静止状态。
室外监控摄像头必须受到保护，免受环境问题的影响，并且还必须具有足够的功率、数据速率和热管理才能运行。此外，还必须防止不同类型的电涌，包括雷击、太阳耀斑，甚至可能干扰电信号的水。另一方面，基于IP的办公电话不需要这种保护，但对于经常移动隔间的办公室工作人员来说可能需要数据线加密和简单的即插即用接口。


图 3：室外 PD POE 10/100 以太网浪涌解决方案的参考设计原理图
PSE 的应用要求与 PD 不同。事实上，大多数注入器必须提供高达 30 瓦的电力和数据来连接 PoE 设备。由于它们注入电力，因此需要针对电涌的保护。一些网络交换机具有内置注入器，可以扩展局域网并将电源和数据信号延伸到更远的距离。如果这些 PSE 位于建筑物外部，则需要额外的环境、完整性和热管理要求。
由于 PSE 重复并传输功率和数据，而不是消耗它们，因此数据和功率信号损耗以及远距离信号的完整性是整体设计中的一个因素。如果没有足够的数据和电力，PD 对最终用户来说几乎没有什么用处。然而，由于 POE 标准，PSE 可能不需要相同的功率和数据吞吐量，从而允许在设计中使用更便宜的组件。
PSE 的数据速率和功率速率决定了 PoE 网络内所需的电缆长度。PoE PSE 端口最大供电功率为 15.4W，PoE+ PSE 端口最大供电功率为 30W。较长的电缆传输可能会导致电力和数据丢失，尤其是在存在潜在电气干扰的情况下。有多种在线计算器可以帮助工程师根据电缆长度、功率要求和网络内设备的数量确定功率和数据丢失。
每次增加功率或数据时，都需要专门的变压器来保护系统。例如，10gbs 的以太网传输速率需要新的脉冲变压器，特别是在有 PoE 应用可能性的情况下。较新的变压器不会使用传统的环形磁芯，而是采用专门的缠绕工艺，与传统的 LAN 模块相比，该工艺可为电路板提供更大的灵活性和稳定性。
为了节省电力和成本，大多数 PSE 不应通过电缆将 PoE 的全部功率传输到设备。此外，网络运营商可以选择在同一网络中同时使用 PoE 和非 PoE 设备。虽然非 PoE 设备无法传输或中继电源，但它们不应干扰 PoE 设备和网络内的设备。


图 4：室内千兆以太网浪涌解决方案的参考设计原理图
合作伙伴选择
在 PoE 应用中，设计和测试服务合作伙伴对于任何设计的成功都至关重要。
PD 和 PSE 的设计和测试都需要专用设备和专业知识。这将确保它们符合设计规定的行业、质量和安全标准。因此，选择能够提供设计服务并帮助进行所需测试的合作伙伴至关重要。
大多数分销合作伙伴和供应商共同努力为 PD 和 PSE 制造商提供所需的服务。他们可以审查设计，确保使用最好和最便宜的选项，并确保终端设备具有其应用所需的最大保护。
结论
虽然此信息仅提供 PoE 设计注意事项的概述，但由于能够通过同一根电缆提供电力和数据，因此在 PD 和 PSE 中采用 PoE 标准将带来成本更低、效率更高的工作场所。随着 PoE 的采用更加广泛，了解这些设计注意事项对于确保最佳设计对 PoE 网络运营商和最终用户有利至关重要。