以太網(wǎng)供電 (PoE) 提供了便捷實用的方法，可通過同一根電纜提供網(wǎng)絡(luò)連接和電源。但是，隨著它的演進，設(shè)計人員必須設(shè)法解決諸多問題，例如前向和后向兼容性、配置選擇、電纜選擇，以及選擇合適的接口 IC。

這些 IC 不僅必須具備核心 PoE 功能，設(shè)計人員還必須確認它們具有最新功能，從而確保安全的功率輸送。

在兼容性方面，無論是升級現(xiàn)有的以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)，還是設(shè)計新的 PoE 系統(tǒng)，設(shè)計人員都必須選擇 802.3af 或 802.3at 這兩個現(xiàn)有標準中的一個；或是選擇 802.3bt 草案標準。雖然選擇的標準可能是基于項目預(yù)算或所需功率大小，但在設(shè)計時，最為明智的做法就是既考慮未來的容量要求，同時又確保它具備后向兼容性。

設(shè)計人員還必須確定哪一種 PoE 配置適合目標系統(tǒng)。在為使用老式以太網(wǎng)電纜的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)添加 PoE 時，配置選項可能受限。

在選擇使用何種電纜方面，標準和拓撲的選擇以及環(huán)境都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。選用錯誤的電纜可能會限制系統(tǒng)的功率，并且妨礙未來的擴展。

本文將回顧 PoE 的基礎(chǔ)知識及其演進歷程。然后，將介紹設(shè)計人員可用來解決諸多問題的解決方案，最后還將探討使用智能照明的 PoE 應(yīng)用。

PoE 的演進

PoE 可通過同一根 CAT5e 電纜提供電源和 100/1000Base-T 以太網(wǎng)通信，進而簡化連接。其對以太網(wǎng)雙絞線通信不會有絲毫影響。但對于開發(fā)人員而言，這樣可以節(jié)省設(shè)計時間和額外布線成本。PoE 還具有電源集中化這一優(yōu)點，因此可以輕松管理所有以太網(wǎng)節(jié)點的電源。這樣一來，還可為所有連接系統(tǒng)提供易于管理的備用電源。

隨著 PoE 應(yīng)用擴展，IEEE 標準委員會推出了更高版本的全新電源標準，從原有的 2003 IEEE 802.3af 標準升級到 2009 802.3at 標準（也稱為 PoE plus），在兩種標準中，端口提供的功率分別為 15 瓦特和 25 瓦特。最新的更新版本 802.3bt PoE 預(yù)期將于 2018 年推出，每個端口可提供最高 100 瓦特的功率。

請注意，所有標準都保持與前幾代 PoE 標準的后向兼容性。由于效率至關(guān)重要，PoE 標準還指定了通過 CAT5e 屏蔽雙絞線電纜傳輸過程中可以損耗的功率。

PoE 電纜考慮因素

在 PoE 系統(tǒng)中，可對 CAT5 電纜施加 48 伏特的差分電壓。該電壓可施加于傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)對，而且不會干擾數(shù)據(jù)通信。另外還有一種情況，CAT5e 電纜上會有兩條備用雙絞線，因此可對該雙絞線施加 48 伏特電壓，以簡化電源系統(tǒng)。對于工廠或建筑應(yīng)用，工業(yè) CAT5e 電纜是首選，因為它們能夠耐受惡劣環(huán)境和不當(dāng)使用，例如摔門、拉伸或彎曲。

CAT5e 電纜的一個典型例子是Panduit Corp的ISTPHCH5MRD模塊化 CAT5e 以太網(wǎng)電纜。（圖 1）。它有四條雙絞線，且其設(shè)計符合現(xiàn)有的 IEEE 802.3af/at PoE 標準，包括最大程度減少由于遠距離傳輸而導(dǎo)致的功率損耗。這些 CAT5e 電纜能夠阻燃、耐受溶劑以及承受扭曲、夾擠和其他嚴重不當(dāng)使用，因而非常適合條件惡劣的工業(yè)應(yīng)用。

圖 1：Panduit ISTPHCH5MRD CAT5e 工業(yè)級以太網(wǎng)電纜的橫截面顯示了四條 24AWG 銅線雙絞線。該電纜配有重泡沫絕緣膠帶，因此能夠防止夾擠。（圖片來源：Panduit Corp.）

PoE 功率輸送配置

PoE 系統(tǒng)的一端是以太網(wǎng)連接的起點，通常為交換機或集線器。而另一端，電纜則會端接需要以太網(wǎng)連接和電源的設(shè)備。所有這些設(shè)備都稱為用電設(shè)備 (PD)。

在 PoE 中，供電設(shè)備 (PSE) 會對以太網(wǎng)電纜施加所需的 48 伏特差分電壓。如果 PSE 位于以太網(wǎng)交換機或集線器中，則根據(jù) IEEE 標準，其被稱為“端點 PSE”。IEEE 標準為端點 PSE 提供了兩種備選配置，以為電纜供電。在備選方案 A 中，PSE 在傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的兩條雙絞線兩端施加差分電壓。在使用僅有兩條屏蔽雙絞線的 CAT5 電纜時，這是唯一的選項。

在備選方案 B 中，PSE 會在兩條備用雙絞線兩端施加電壓。對于 CAT5e 和其他帶有四條雙絞線的電纜，這是首選的方法。

如果電纜被截斷，則 PSE 會在交換機/集線器與 PD 之間的位置施加電壓，這種情況被稱為中跨 PSE。這種配置也支持按照備選方案 A（電力通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)雙絞線傳輸）和備選方案 B（電力通過兩條備用雙絞線傳輸）供電。

PoE 硬件類型

這些 PoE 供電方法與現(xiàn)有 PoE 標準 802.3af/at 相同。IEEE 802.3bt 草案標準實施后，將能通過所有四條雙絞線供電，并兼容 10G-Base-T 標準（圖 2）。

PSE 和 PD PoE 設(shè)備根據(jù)以下類型進行分類：

• 類型 1 利用兩條雙絞線上的電壓，兼容 802.3af 標準，15 瓦特

• 類型 2 利用兩條雙絞線上的電壓，兼容 802.3at 標準，30 瓦特

• 類型 3 利用四條雙絞線上的電壓，兼容 802.3bt 草案標準，60 瓦特

• 類型 4 利用四條雙絞線上的電壓，兼容 802.3bt 草案標準，100 瓦特

圖 2：802.3af/at 標準的兩端點 PSE 配置和中跨 PSE 配置。建議將端點 PSE 備選方案 A 用于使用 CAT5e 電纜的新系統(tǒng)，而中跨 PSE 可以更容易地為現(xiàn)有系統(tǒng)添加 PoE。中跨 PSE 也支持備選方案 A。（圖片來源：IEEE 802.3at 規(guī)格）

PoE 握手

當(dāng) PSE 檢測到帶 PD 的新網(wǎng)絡(luò)連接時，將在 PSE 和 PD 之間發(fā)起短握手協(xié)議。對于 PSE 而言，這次握手首先要確定設(shè)備是否確實為 PD，而且需要電源。然后，PSE 必須確定 PD 需要多大的功率。從 PD 的角度來看，這次握手將確定 PSE 能夠提供多大的功率。最終，通過這次握手，PSE 能夠安全地為 PD 供電，如果 PSE 檢測到 PD 已斷開連接，還可以安全地停止供電。

在握手過程中，PD 在 PSE 電壓下保持特定的電阻，稱為檢測簽名電阻，可用于限制電壓脈沖過程中的涌流?；谟苛鳎琍SE 將根據(jù)其功率要求，將 PD 分類為上文所述的類型 1 - 4。但是，當(dāng) PSE 檢測到 PD 上的新電流消耗時，它將向 PD 發(fā)送電壓脈沖，以再次確定 PD 需要多大的功率。

PD 接口

對于構(gòu)建新 PD 的開發(fā)人員而言，PoE 接口必須是可升級，或者可兼容新的 802.3bt 草案標準，而且仍然后向兼容以前的標準。PD 接口 IC 的靈活性至關(guān)重要，Texas Instruments的TP2372高功率 PoE PD 接口即可提供這種靈活性（圖 3）。

圖 3：用于智能照明應(yīng)用的 TPS2372 的推薦電路，包含配置 MPS 電流的外部電阻 (RMPS)、MPS 占空比 (RMPS_DUTY)、檢測簽名 (RDET)。（圖片來源：Texas Instruments）

TP2372 符合現(xiàn)有的 IEEE 802.3bt 草案標準，并且可后向兼容 802.3af/at 標準。對于設(shè)計兼容所有 PoE 系統(tǒng)的照明 PD 的工程師而言，TP2372 的一大重要特性是它能夠限制輸入電流。如果 PD 連接到某個系統(tǒng)，但其中的 PSE 沒有進行任何限流，則這種特性非常重要。

例如，在最初的部分 PoE 工業(yè)照明系統(tǒng)中，使用了一些老式的中跨 PSE 設(shè)備，沒有任何限流保護。此外，有些早期 PSE 會在沒有握手的情況下，在電纜上施加電壓，因此需要 PD 進行限流。TPS2372 中的限流讓 PD 能夠安全連接到幾乎所有 PSE。

TPS2372 是完全可配置的，即可使用外部電阻來實現(xiàn)各種特性，例如 MPS 電流和占空比、PoE 類型類別。請注意，可以手動設(shè)置配置，也可啟用自動設(shè)置進行配置。TPS2372 還能處理與 PSE 的所有握手，基于 PSE 的類型，自動協(xié)商 MPS 電流和占空比。

為了便于開發(fā)，TI 的TPS2372-4EVM-006評估板也為 TPS2372 提供支持，該評估板支持高功率 802.3bt PoE 應(yīng)用以及現(xiàn)有的 802.3af/at 標準。

TPS2372-4EVM-006 評估板帶有跳線，可用來配置 PD 參數(shù)，例如 MPS 占空比和 PoE 類型。它擁有兩個以太網(wǎng)連接器，其中額外的連接器用于千兆位以太網(wǎng)數(shù)據(jù)直通。

在使用 TPS2372 的設(shè)計布局中，務(wù)必要最大程度地減少潛在信號、EMI/ESD 和功率干擾。為此：

• 從 RJ-45 連接器到以太網(wǎng)變壓器、TVS 二極管、0.1 微法拉 (μF) 電容器和 CBULK的電源和地面走線應(yīng)該盡可能短，并與數(shù)據(jù)分離。

• 在從電源到用電設(shè)備的路徑上，應(yīng)該使用寬電源走線、成對信號和返回走線。不要讓任何信號從功率流的一端穿越到另一端。

• TPS2372 應(yīng)該放置在印刷電路板（PC 板）上，位于分割局部地平面上，其中，PoE 的那一半部分以 VSS為基準，而轉(zhuǎn)換器的那一半部分以 RTN 為基準。

• 不要將邏輯接地或電源走線布置在以太網(wǎng)輸入或初級 DC/DC 轉(zhuǎn)換器下方。

• 使用安全的布線程序，例如 IEC60950 中指定的程序，將 48 伏特輸入電壓與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入相隔離。若覆銅區(qū)域和走線用于耗電的 SMT 器件以及位于 RJ-45 連接器下方，則應(yīng)該使用較大的覆銅區(qū)域和走線。

PoE 應(yīng)用：智能照明

現(xiàn)代化的建筑物和工廠非常重視能效。日光燈管照明曾經(jīng)在這些應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們很容易升級為高輸出低功耗的 LED 照明。相對于日光燈和白熾燈照明，LED 具有明顯的優(yōu)勢。最重要的是 LED 照明的能效要高得多，在特定的輸入功率下能發(fā)出更多光。LED 照明的發(fā)熱量非常小，也不需要對于日光燈而言必不可少的鎮(zhèn)流器。

隨著 LED 的使用，每件燈具的功耗均有所降低，而 PoE 這種布線方案的使用也越來越普遍，它既能提供足夠的電能來驅(qū)動 LED 照明，又能提供遠程物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 智能連接。

智能照明意味著可以遠程打開和關(guān)閉照明系統(tǒng)，可以按照程序設(shè)定的時間表予以打開和關(guān)閉，或者在傳感器檢測到占位時打開和關(guān)閉。

在實施中，單個以太網(wǎng)端點可能連接到多個照明節(jié)點。例如，從交換機或集線器，將單個命令發(fā)送到包含八個照明節(jié)點的單個基于以太網(wǎng)的設(shè)備，可命令這些節(jié)點僅打開第四個燈和第七個燈，而關(guān)閉其他燈。

PoE 系統(tǒng)必須連接到采用適當(dāng) LED 的燈具，包括在輸出（以流明為單位）、色溫（以開爾文為單位）和功耗等方面。LED 制造商Wurth Electronics推出了面向工業(yè)照明和一般室內(nèi)照明的產(chǎn)品系列。

例如，158301250冷白光 5000K LED 的尺寸僅為 3 mm x 1.4 mm，但每瓦特功率能夠發(fā)出 133 流明的光，因而具有極高的能效，特別適用于基于 PoE 的工業(yè)照明應(yīng)用。對于定制照明，可以根據(jù)特定系統(tǒng)要求，將多個 LED 燈焊接到單個板上。

圖 4：Wurth Electronics 的 158301250 LED 采用了 PLCC 封裝，可在任何配置中進行表面貼裝。（圖片來源：Wurth Electronics）

在 LED 采用 PoE 進行照明的情況下，不僅要降低每個 PD 的工作電流，還要減少 PoE 待機電流，這一點非常重要。如果確定 PD 上的建筑照明燈必須關(guān)閉，則現(xiàn)有的 PoE 標準要求每個 PD（也就是 MPS）必須向 PSE 發(fā)出請求，在占空比為 20% 的情況下，電流消耗為 10 mA。MPS 告知 PSE：該 PD 仍處于連接狀態(tài)。因而平均 MPS 電流消耗為 2 mA。

新的 802.3bt 草案標準規(guī)定 MPS 占空比應(yīng)降低到 1.875%，進而使平均 MPS 電流消耗減少十倍，達到 0.2 mA。

總結(jié)

PoE 可以極大地簡化辦公室或工業(yè)應(yīng)用中的智能照明系統(tǒng)的實施。選擇合適的電纜能夠確?？煽康墓β瘦斔?，而定制照明應(yīng)用則適合使用高效率 LED。正確地選擇 PD 零件，可讓設(shè)備具備可升級性和后向兼容性，從而構(gòu)建安全可靠的系統(tǒng)，在智能網(wǎng)絡(luò)配置中持續(xù)多年高效工作。