PoE技术详解:实现便捷与高效的电力传输与应用
0 2023-12-04

标准的五类网线有四对双绞线,IEEE 802.3afIEEE 802.3at允许两种用法:通过空闲线对供电或者数据线对供电。IEEE 802.3bt允许通过空闲线对供电、通过数据线对供电或者空闲线对和数据线对一起供电,如图16.1所示。

图 16.1 PoE供电线对

当在一个网络中布置 PoE设备时,PoE供电工作过程如下:

图 16.2 PoE供电过程

检测:首先PSE会发送一个测试电压给在网设备以探测受电设备中的一个24.9kΩ共模电阻。测试信号开始为2.5V,然后提升到10V,这将有助于补偿Cat-5电缆自身阻抗带来的损失。因为PoE供电需要支持100米的Cat-5电缆。如果PSE检测到来自PD的适当阻抗特征(24.9kΩ),它便会继续提升电压。如果检测不到特征阻抗,PSE将不会为电缆加电。PD设备电路中的齐纳二极管会保证系统其余部分不受测试信号的干扰。

分类:当检测到受电端设备PD之后,在PSE给PD供电之前,PSE和PD之间要先协商供电功率,PSE必须知道PD需要消耗多大的功率,PD也需要知道PSE的供电能力。协商完成之后,PSE和PD之间安装协商的功率供电,避免过载。这个协商过程就是分类。分类有两种方式,一种是物理层分类,一种是数据链路层分类。

物理层分类方式,PSE向PD施加15~20V的电压,并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。PD通过测量PSE发送的分类脉冲的数量来确定PSE的供电能力。在PSE发送分类脉冲的期间,PD会通过消耗电流的方式告诉PSE自己的类签名;PSE会根据类签名来决定发送单次分类脉冲还是多次分类脉冲。不同的类签名对应了不同的功率等级。IEEE 802.3at定义了4个类签名(calss1~class4),IEEE 802.3bt新增了4个类签名(class5~class8)。

不同的类签名,PSE最小输出功率和PD最大消耗功率如下图所示。

图 16.3 PSE最小输出功率和PD最大消耗功率

PSE最小输出功率和PD最大消耗功率之间有一个差值,是考虑了链路及其他地方的功率损坏,留了一定的余量,这个余量是按100米5类网线来余量的。

PD需要申请的功率等级和相应的类签名如下图所示。

图 16.4 PD需要申请的功率等级和类签名的关系

IEEE 802.3af定义了1类PSE和PD,物理层分类时发送单次分类脉冲。IEEE 802.3at新增了2类PSE和PD,2类PSE对接2类PD时,会发送2次分类脉冲;2类PSE对接1类PD时,会发送单次分类脉冲。2类PSE和PD对接时,PSE端的分类脉冲和PD端的特征电流如下图所示。

图 16.5 2类PSE和PD,PSE分类脉冲和PD特征电流的关系

IEEE 802.3bt新增了3类、4类PSE和PD,3类PSE对接3类或4类PD时,会发送4次分类脉冲,对接2类PD时,会发送2次分类脉冲;3类PSE对接1类PD时,会发送单次分类脉冲。4类PSE对接4类PD时,会发送5次分类脉冲;4类PSE对接3类PD时,会发送4次分类脉冲;4类PSE对接2类PD时,会发送2次分类脉冲;4类PSE对接1类PD时,会发送单次分类脉冲。4类PSE和PD对接时,PSE端的分类脉冲和PD端的特征电流如下图所示

图 16.6 4类PSE和PD,PSE分类脉冲和PD特征电流的关系

物理层分类完成后,PSE给PD供电,待PD上电,PSE和PD之间建立网络通信后,PSE设备和PD设备还可以通过LLDP重新协商供电功率。LLDP协商字段中,包含PSE分配的输出功率和PD最大消耗功率。LLDP功率等级和类签名的关系如下图所示。

图 16.7 LLDP功率等级和类签名的关系

除了上述分类,IEEE 802.3bt还新增了一个可选的物理层分类,叫做自动分类(Autoclass)。在物理层分类期间,PD可以申请自动分类,这是通过在第一分类事件期间的大约81ms之后将其给定(非零)类签名转换为零的类签名来实现的。自动分类期间,PSE和PD的协商过程如下图所示。

图 16.8自动分类波形

对于支持自动分类的PSE和PD,在上电完成后,PD会将负载电流拉到最大并持续一段时间,PSE会测量这个负载电流。自动分类的拉载过程如下图所示。

图 16.9自动分类的拉载过程

正常供电期间,PSE会给PD预留自动分类期间测量得到的最大功率。这种方法的好处是PSE和PD按照实际消耗功率和链路损耗来分配功率,不需要按100米网线的链路损耗来预留余量。

开始供电:分级完成后,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

a)供电,直至提供48V的直流电源。

b)供电:为PD设备提供稳定可靠48V的直流电,满足PD设备不越过分类时协商的功率。

c)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。

在上述过程中,主要对以下几个过程进行描述:

Step1:Detection,PSE检测PD是否存在。

(1)该步骤主要的操作是,PSE通过检测电源输出线对之间的阻容值来判断PD是否存在;

(2)Detection阶段输出电压为2.8V~10V,电压极性与-48V输出一致。只有检测到PD,PSE才会进行下一步的操作。

(3)PD存在的特征:

直流阻抗在19K~26.5Kohm之间;

容值不超过150nF;

Step2:Classification,PSE确定PD功耗。

(1)该步骤主要的操作是,PSE通过检测电源输出电流来确定PD功率等级。

(2)Classification阶段端口输出电压大小为15.5V~20.5V。电压极性与-48V输出一致。

Step3:Power-up,PSE给PD供电。

该步骤主要的操作是,当检测到端口下挂设备属于合法的PD设备时,并且PSE完成对此PD的分类(可选),PSE开始对该设备进行供电,输出-48V的电压。

Step4:RTP & Power management,实时监控、电源管理。

Step5:Disconnection,PSE检测PD是否断开。

该步骤主要的操作是,PSE会通过特定的检测方法来判断PD是否已经断开,如果PD断开,PSE将关闭端口输出电压。端口状态返回到Detection。

在把任何网络设备连接到PSE时,PSE必须先检测设备是不是PD,以保证不给不符合POE标准的以太网设备提供电流,因为这可能会造成损坏。这种检查是通过给电缆提供一个电流受限的小电压来检查远端是否具有符合要求的特性电阻来实现的。只有检测到该电阻时才会提供全部的48V电压,但是电流仍然受限,以免终端设备处在错误的状态。作为发现过程的一个扩展,PD还可以对要求PSE的供电方式进行分类,有助于使PSE以高效的方式提供电源。一旦PSE开始提供电源,它会连续监测PD电流输入,当PD电流消耗下降到最低值以下,如在拔下设备时或遇到PD设备功率消耗过载、短路、超过PSE的供电负荷等,PSE会断开电源并再次启动检测过程。



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