以太网供电(PoE)IEEE 802.3af标准

以太网供电（PoE）的IEEE 802.3af标准说明了通过以太网的CAT-5电缆如何分配高达12.95W的功率，使得网络设备能够在不采用AC电源线下运作。该标准确立了一个独立于以太网数据传输的DC电源分配网络运作，它与现有的（10 Base-T、100 Base-TX和1000 Base-T）以及未来的以太网数据标准兼容。802.3af 电源通过供电设备（PSE）来提供，该设备管理电源并区分需要电源的受电设备（PD）与单纯的数据设备。由于PSE的检测方法可以做这个区分，用户就可以在现有网络上采用以太网供电，而不会毁坏仅用于数据传输的以太网设备。

802.3af的目的是推动一种新型的以太网设备（PD），它不需AC线电源来运作。PD为终端用户提供了巨大的好处，使用户无需AC插座和从位于中心的不间断电源（UPS）吸取功率就可获得电源。不用AC电源转换电路，PD需要一个符合802.3af的以太网供电接口和一个DC/DC转换器。针对802.3af网络接口的集成电路简化了它们的实现，在缩短设计时间的同时，还有助于兼容802.3af。集成电路不能解决以太网供电所有的问题，有一些必须在主板和系统层面来解决。此外，没有一个解决方案能够适合每一个人。设计师需要有自由度，能够在确保互操作的情况下为各自的应用设计相应的解决方案。为了帮助设计师们更好地了解应用、802.3af标准和互操作等方面的要求，本文列举出PD设计必须解决的很多问题，并通过一个电路例子来说明可能的解决方案。

图1，图3中所示PD例子的I蠽曲线。阴影部分是监测、分级和通电的IEEE限制以及作者所建议的限制。

PD的大部分IEEE 802.3af 标准是对PD的I-V曲线进行描述（如图1）。该曲线被分割成三个不同作用的电压范围：2.7V至10.1V的检测、14.5V至20.5V的分级、电源接通/关断以及从30V 至57V的供电。在这些范围内的PD表现受IEEE标准管理，但是这些范围之间的转换对互操作来说是同等重要的。PSE进入到检测领域以区分25kΩ电阻的PD与150Ω共模终端不需要供电的设备。在分级范围内，PD的电流符合所需的功率大小。当其输入或端口电压超过30V时，PD 开始从电缆中吸收电源，以维持其余电路的运行。在多数的PD中，从以太网端口的48V输入通过DC/DC转换至类似3.3V或2.5V的电压，以配合PD电路的要求。图2与图3阐释了能够处理PD整个PoE接口的电路，其中包括DC/DC转换。在这样的划分下，以太网供电结构成为自供电应用，使PD设计师能够集中精力在电路和软件上，以设计出与众不同的PD。

连接电缆

PD的以太网供电接口和以太网数据接口或者PHY都必须连接到RJ-45以太网插口上。图2示意了一个理想的完成这些连接的方法。75Ω共模终端电阻是AC耦合的，所以与PoE不会冲突。终端连接在共模扼流圈的电缆一侧，使得扼流圈的电感以及高AC阻抗不会影响终端的阻抗。图2和图3中较粗线说明了PoE高达400mA的DC电流流动位置。这些路径上连线和电路板迹线需要特别注意保持低的电阻。在电路板上采用宽的迹线并将组件紧凑地安装在一起以缩短迹线的长度。在磁性器件（T1 T6）中，控制线电阻以确保DC电流不会让T5或T6饱和以及阻碍数据传输显得特别重要。自耦变压器T1和T2的绕线必须使得从中心抽头起它们的两条线有相同的电阻。即使当T1和T2的绕线准确，电缆电阻还会导致一些DC差分电压。通过T1和T2的电阻比扼流圈T3、T4以及数据变压器T5和T6要低，磁性使生成的电流经过T1或T2。这在图2中进行了阐述，较宽的线条代表低电阻电线。将PD连接到备份线对上要简单得多，因为这些电线不会传输数据，如图2所示，所以不需要磁性器件。（对千兆位以太网而言，它们把数据放在备份线对上，可以用相同的磁性器件进行连接，就像图2中的数据线对一样。）

图2，举例说明从以太网电缆接收PoE电源和10/100数据的磁性器件。CT1-CT4接线连接至图3

所示电路的输入端。

一旦电源和数据通过磁性器件从电缆中抽取出来，不论是从备份线对还是数据线对看，PD都是一样的。实际上，PD的I-V曲线对两个电压极性和两个线对都是一样的。图3中的一对二极管电桥（D1 - D8）将两对的讯号结合成一个单极输出，使一个符合802.3af标准的PD接口（由图3

中的LTC4267控制）能够为两对输入和两种极性服务。

图3，802.3af标准的PoE接口和DC/DC转换器的原理图。

由于振铃、过冲瞬变、静电以及地电位差异等等会给电缆施加数百或数千伏特的电压，因此除了二极管电桥之外，图2还具有一个用于对PD的输入提供保护的瞬态电压抑制器（TVS）。因线缆有可达0.05礔及低串联电感和电阻，这些电压的能量可以很达到很大。瞬态电压抑制器可以吸收这些能量的大部分，但是PoE接口的其余部分必须特别设计以为能够经受住在运行范围之外的20V至30V，直到TVS对电压进行限制为止。

检测

在建立以太网供电连接时，检测是第一步，而且是最重要的一步。一个PD有25kΩ的共模电阻，而多数非供电设备具有150Ω共模终端。在2.7V至10.1V之间，PD必须有一个25 1.25kΩ的检测特征电阻。除了电阻器本身（与LTC4267包括在图3）外，这些二极管电桥是PD的25kΩ检测特征最重要的因素。二极管的前向电压为特征增加偏移电压，标准要求低于1.9V（对-40℃温度下的硅二极管足够）。这些二级管的非线性串联电阻会影响这些特征，如图4所示。反向偏置电桥二极管增加漏电，所以使两个并联的二极管的漏电必须低于IEEE规定的10.1V反向偏置下的10礎限制。LTC4267通过集成和优化特征电阻解决了很多这些问题，如图4所示，从而弥补了二极管电桥及其本身电流的问题，为设计师解决了后顾之忧。

图4，监测I-V曲线说明二极管电阻在PD检测特征方面的作用。

分级

成功检测之后，大部分PSE将PD分级来决定消耗多少电量。分级能够提高PSE的电源管理，使之在同样瓦数的电源条件下能够为更多PD提供电源。例如，9个消耗5W但是被称为分级0的PD能够达到150W电源能力的最大值，因为PSE必须将15.4W分配给每一个分级0的PD。如果同样的PD用作分级2，PSE分配7W给它们，它的150W能够提供给21个PD。所以要选择最大持续功率和峰电流比PD要低的最低分级（1、2或3），从表1为您的PD选择适合的类别。

表1: IEEE 802.3af PD分级。符合的PD在14.5V至20.5V之间具有适当的分级电流，而且当接通电源时保持不超过最大功率和峰值电流。注意PD分级0和分级4没有显示出来而且不应采用。

进行分级通常由PSE强迫端口电压符合分级范围并测量PD的电流。在分级的整个领域，PD 的电流必须在表1所示的3个范围中的一个之内。尽管802.af标准在检测和分级间放置超过5V 的电压，但是大部分还是被二极管前向电压（VF）的温度变异所消耗。温度高时，二极管的VF 在0.5V左右，温度低时，二极管VF在0.9V左右，所以LTC4267必须在仅超过3V左右从检测切换至分级。在这个范围之外，LTC4267会尽量达到最大的互操作性，通过缓慢地导通分级电流，请注意图1所示典型的I-V曲线的斜率。从0mA到高至30mA的改变可能会导致端口电压下降至分级范围以下，所以PD关掉分级电流，这样就会出现振荡。即使是采用PSE的稳定电压，PD 电流与100米电缆电感的快速变化也会产生振荡。高于20.5V时切断分级电流的负电阻会引起更严重的振荡和互操作方面的问题。为了实现最大的互操作，PD应该具有平滑、单调的I-V曲线，如图1所示。

接通电源

当PD接通并开始从电缆中获得电源时，PD设计变得更加复杂，因为以太网供电接口、DC/DC 转换器和其它PD电路必须一起工作，以保持符合802.3af。LTC4267包括该组合的两个最重要的成员，这就是PoE接口和DC/DC转换器，因此是说明这些原则的一个非常好的例子。

LTC4267等到输入达到36V时才开始吸取电源并限制涌入电流在140mA以下（如图1）。通过等到36V，LTC4267在接通（36V）和切断（30V）电压之间有6V的迟滞。由于LTC4267升高的140mA电流和高至20Ω的电缆电阻，这个迟滞防止在端口电压下降时（2.8V = 20Ω× 140mA）LTC4267不至于在开或关之间振荡。一旦安装LTC4267的PD后接通电源，LTC4267切换至375mA 电流限制，允许PD从电缆获得分级3电源全部12.95W。具有更高涌入电流限制的PD需要更大的迟滞，802.3af允许高达12V以防止振荡。

只要能够在PSE的400mA至450mA电流限制下，在50ms之内接通电源，PD并不要求实施自己的电流限制。没有自己限制电流或在50ms内通电的PD将关断它们的电源。像LTC4267这