一、POE介紹

　　POE （Power Over Ethernet）指的是在現有的以太網Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等）傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術。POE技術能在確保現有結構化布線安全的同時保證現有網絡的正常運作，最大限度地降低成本。

　　PoE也被稱為基于局域網的供電系統（PoL， Power over LAN ）或有源以太網（ Active Ethernet），有時也被簡稱為以太網供電，這是利用現存標準以太網傳輸電纜的同時傳送數據和電功率的最新標準規范，并保持了與現存以太網系統和用戶的兼容性。IEEE 802.3af標準是基于以太網供電系統POE的新標準，它在IEEE 802.3的基礎上增加了通過網線直接供電的相關標準，是現有以太網標準的擴展，也是第一個關于電源分配的國際標準。

　　二、POE原理

　　標準的五類網線有四對雙絞線，但是在10M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的兩對。IEEE80 2.3af允許兩種用法，應用空閑腳供電時，4、5腳連接為正極，7、8腳連接為負極。

　　應用數據腳供電時，將DC電源加在傳輸變壓器的中點，不影響數據的傳輸。在這種方式下線對1、2和線對3、6可以為任意極性。

　　標準不允許同時應用以上兩種情況。電源提供設備PSE只能提供一種用法，但是電源應用設備PD必須能夠同時適應兩種情況。該標準規定供電電源通常是48V、13W的。PD設備提供48V到低電壓的轉換是較容易的，但同時應有1500V的絕緣安全電壓。

　　三、POE的系統構成

　　一個完整的POE系統包括供電端設備（PSE， Power Sourcing Equipment）和受電端設備（PD， Powered Device）兩部分。PSE設備是為以太網客戶端設備供電的設備，同時也是整個POE以太網供電過程的管理者。而PD設備是接受供電的PSE負載，即POE系統的客戶端設備，如IP電話、網絡安全攝像機、AP及掌上電腦（ PDA）或移動電話充電器等許多其他以太網設備（實際上，任何功率不超過13W的設備都可以從RJ45插座獲取相應的電力）。兩者基于IEEE 802.3af標準建立有關受電端設備PD的連接情況、設備類型、功耗級別等方面的信息聯系，并以此為根據PSE通過以太網向PD供電。

　　四、POE供電方法

　　中間跨接法（ Mid -Span ）

　　使用以太網電纜中沒有被使用的空閑線對來傳輸直流電，應用于普通交換機與網絡終端設備之間，可以通過網線給網絡終端設備供電，Midspan PSE（中跨供電設備）是一個專門的電源管理設備，通常和交換機放在一起。它對應每個端口有兩個RJ45插孔，一個用短線連接至交換機，另一個連接遠端設備。

　　末端跨接法（End-Span）

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　　是在傳輸數據所用的芯線上同時傳輸直流電，其輸電采用與以太網數據信號不同的頻率。相應的Endpoint PSE（末端供電設備）有支持POE功能的以太網交換機、路由器、集線器或其他網絡交換設備。可以預見End-Span會迅速得到推廣，這是由于以太網數據與輸電采用公用線對，因而省去了需要設置獨立輸電的專用線，這對于僅有8芯的電纜和相配套的標準RJ-45插座意義特別重大。

　　五、用于PoE應用的低成本隔離電源問題解析

　　本文描述一種用于 POE （Power-over-Ethernet以太網供電）用電裝置（Powered DevICe-PD）的易用、 低成本 、 隔離電源 。以太網供電是通過已有的CAT-5 Ethernet 纜線為以太裝置提供數據和電源新功能。PoE由IEEE802.3af標準決定。PoE正在迅速得到制造商和用戶（如VoIP電話，無線接入點，保密相機、售貨終端）的喜愛。PoE系統優點是：

　　·低成本—可以消除墻上電源。

　　·靈活的接入點配置—無線接入點不再需要配置在AC電源的周圍（或需要有AC電源線通過）。

　　·遠程管理能力：IP電話和 WLAN接入點可以遠程上電或下電。遠程主機可以確定有多少裝置需要電源和決定哪些裝置應該通電。

　　·較高的可靠性：在開關末端可以用冗余電源。

　　·全球兼容性：PoE建立一個通用全球電源連接器。

　　為了依從IEEEE802.3af PoE標準，Ethernet線上的用電裝置（PD）必須在起動時能被識別，被分類，被控制并滿足隔離要求。按802.3af的隔離要求，一個PD應該在電源接口（PI）線，外部導線和機架地之間提供電氣隔離。隔離必須滿足IEC60950-1:200子項6.2的1500V SELV要求。安裝在塑料殼中的VoIP電話（無外部連接器或纜線）可滿足這種要求。實現隔離的另一種方法是用帶變壓器的電源變換器，它具有1500V隔離和光隔離輸出電壓反鎖。電氣隔離對VoIP電話和WLAN接入點制造商來講是一種應留心的選擇，希望在其用于下游臺式PC的產品中包含另外的Ethernet端口。

　　本文所描述的隔離電源能經Ethernet纜線為PD工作提供系統電壓。電源由下列部分組成：PoE控制器，EMI濾波器，隔離電源變換器和第二變換器。盡管此電源是專門為VoIP電話設計時，但其特性是通用的，并可容易適用于其他PoE應用，此電源的主要設計目標是：低成本、小尺寸、高效率和符合IEEE802.3af標準。此電源的完整電路示于圖1。

　　PoE控制器

　　TPS2370是做為電源設備（ PSE ）和用電裝置（PD）的接口。執行IEEE802.3af標準所需的所用檢測，分類起動電流限制和開關FET控制。當PSE加電壓1.8V~10V到24.9KΩ顯示電阻R2時，檢測Ethernet的存在，當PSE加15V~20V到分類電阻R5時，設置PD的分級。PD的分類電平標記PD需要多小來自Ethernet線路的電源。內部FET和控制電路限制來自Ethernet線路的啟動和穩態電流，用戶可用R4設置啟動電流限制。C10用于消除線路電感引起的啟動振蕩。IEEE802.3af標準限制該輸入電容器大小為0.15mF，D9防止任何耦合進Ethernet線路的瞬變。在此應用中，D1~D4隔離Ethernet電源和外部穩壓48VDC電源。二極管通常也用在Ethernet線路保護極性反向和提供自動極性校正。

　　輸入EMI濾波器

　　PD和隔離電源所產生的噪聲可能干擾所傳輸的數據和連接在同一Ethernet線路上其中PD裝置的工作。IEEE820.3af規定為保證數據完整性在PI/PD接口上所允許的最大紋波。此電源工作在100KHz，而在此頻率峰—峰電壓紋波限制是200 mV。應注意，基頻100 KHz的諧波和 PD也可產生噪聲，這會增加濾涉要求。L1、L2和C3是一個差分濾波器，用于降低隔離電源所產生的電流脈沖，由于雜散電容所致在輸入電源線上也會產生噪聲。L3和L5濾波這些共模電流。IEEE802.3af限制是共模和差分模式紋波。很多PD也必須滿足FCC/EU輻射標準，所以，共模濾法器設計應把此需求考慮進去。

　　隔離電源變換器

　　具有自動驅動同步整流器3.3V輸出的反激變換器用于該設計。同步整流器與肖特基二極管相比，具有非常小的壓降，這可增加效率。為了使用同步整流器在整個初級開關關閉時間具有一個驅動波形，就需要連續電流模式工作。T1是反激變壓器（實際是一個電感器，它儲存能量），MOSFET Q2隨可變占空比和100KHz周期開和關，使T1儲存能量，在Q2導通期間，輸出電容器提供全部負載電流。在Q2 關閉期間， Q1柵板和源極之間的電壓是正的，使其導通。電流流入輸出電容器，重新充電這些電容器并進入3.3V負載。為了穩壓3.3V輸出，測量電壓與 TLV431A并聯穩壓器U5中的基準進行比較。光電隔離器U4提供反饋通路中的隔離。U3是UCC3809 PMW控制器，它控制Q2導通時間，然后調整3.3V輸出。Q2導通時間控制儲存在T1中的能量值，依次調整提供給次級的能量，穩定3.3輸出。

　　在變壓器T1增加另一繞組（用適當的匝數比）產生第二個輸出電壓。肖特基二插管D5，在Q2關閉期間正向偏置，允許電流流入輸出電容器和5V負載。以這種方式所產生的第二個輸出是半穩壓輸出，其容差為8%~10%，這取決于輸入線路和負載。為了得到更好的穩壓，把輸出設置銷微高于所需電壓，并采用低壓降穩壓器（LDO）來提供較高的穩壓性能。LDO可達到1%~2%容差。

　　非隔離電源變換器

　　PD需要另外2個電壓，需要1個可調12V~24V（20mA），用于LCD顯示的偏置。3×3mmQFN封裝的TPS61045高頻升壓變換器U6用于升壓3.3V輸出。DSP芯核電壓需要1.5V（250mA）。TPS62210同步降壓變換器（SOT23-5封裝）U7用于降壓3.3V到1.5V （效率87%）。這兩個IC器件都具有內部電源開關和控制環路補償，這減少了外部元件數，板空間和成本。