以太網供電(PoE)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在它的簡易性上。但在IEEE802.3以太網標準中引入對(PoE+)的“at”修訂后，與原始規(guī)范中的15瓦相比，可供用電設備(PD)使用的功率增加到了30瓦(W)。對于采用多個端口的系統(tǒng)而言，提高PoE+容量要求使用更大的電源才能滿足需求。而且，系統(tǒng)往往包含多個電源以實現(xiàn)冗余，這些都可能有悖于PoE的簡易性。

在典型的多端口PoE+實現(xiàn)中，并非所有用電設備都需要最大功率，因此允許使用小一些的電源。然而，要想在可能包含數十個用電設備的系統(tǒng)中管理來自多個電源的不同功率水平，這一設計挑戰(zhàn)依然令人望而生畏。

可行的解決方案是讓電源系統(tǒng)基于專門的電源管理芯片。此類芯片通過端口控制器，管理從主電源和備用電源提供給多個具有不同功率要求的用電設備的功率。

本文首先介紹PoE和PoE+的基礎知識，然后介紹單芯片電源管理和端口控制器解決方案，并展示這些解決方案如何簡化多端口PoE+系統(tǒng)的設計。

PoE和PoE+基礎知識

PoE的簡易性體現(xiàn)在，在一根CAT5電纜上結合了供電和通信功能。與使用單獨的電源和數據網絡相比，工程師可利用此功能快速、低成本地設計和構建維護要求較低的網絡。

PoE在世紀之交取得了迅猛的發(fā)展，互聯(lián)網語音協(xié)議電話(VoIP)開始利用基于以太網的專有技術，允許在同一網絡上同時傳輸數據和電力。

2003年6月，IEEE將PoE規(guī)范采納為現(xiàn)有IEEE802.3以太網標準的修訂(“af”)，對此概念進行了標準化。2009年采用了第二項修訂“at”，能夠讓PoE安全地處理更高功率。

IEEE802.3af可以向網絡中的每個用電設備提供高達15.4瓦和44至57伏的直流電（在連接點提供12.95瓦的保證功率）。根據電源要求，可將用電設備定義為1類、2類或3類。該技術使用單個標準RJ45連接器和一根CAT5（如果電源要求較低則為CAT3）電纜。

該標準的“B方案”在CAT5電纜四對電線中兩對未用于傳輸以太網數據的電線上傳輸電力?！癆方案”則在電纜的數據導線上施加共模電壓，為連接的設備供電。由于以太網使用差分信號傳輸數據，因此施加的電壓不會影響功能。

IEEE802.3at可以向4類用電設備提供高達30瓦（到用電設備為25.5瓦）和50到57伏的直流電。與早期技術的350毫安(mA)相比，PoE+的最大電流為600毫安(mA)。PoE+僅使用CAT5電纜，降低了阻抗和功率損耗。

IEEE802.3at修訂版向后兼容IEEE802.3af，而最新的IEEE802.3-2012標準則合并了802.3at規(guī)范。

除功率等級之外，PoE元件可劃分為兩個類型：

1型兼容IEEE802.3af規(guī)范。

2型兼容IEEE802.3af和802.3at規(guī)范。

最新版的標準禁止在CAT5電纜的所有四對雙絞線上傳輸電力。不過，所謂“4對PoE”的提議也已取得進展，最早可能于今年（2018年）加入到標準中。4對PoE引入了5類、6類、7類和8類用電設備，可提供高達90瓦（到用電設備為71瓦）和960mA的電力。

PoE系統(tǒng)的要素

IEEE802.3af定義了兩種類型的PoE設備：用電設備(PD)和供電設備(PSE)。PSE從傳統(tǒng)電源吸收功率，然后管理在以太網上分配的電力。反過來，PD通過RJ45連接器獲得供電，因而無需使用內置電源。PoE能夠在運行長度達數十米(m)的典型以太網電纜上為用電設備供電。

PoE標準規(guī)定了PSE與PD之間的信號傳送。此信號傳送可讓PSE檢測到符合規(guī)范的設備，避免對連接到網絡的非PoE設備造成可能的損害。導線間施加了2.8到10伏的直流電壓，連接的用電設備提供19到27千歐(kΩ)的阻性負載，并使用不超過120毫微法(nF)的并聯(lián)電容器作為“簽名”。檢測到PSE后，PSE將與PD協(xié)商，確定所需的功率。

PSE以端點或中跨方式獲得供電。端點（或PoE交換機）是采用PoE/PoE+傳輸電路的以太網交換機。中跨是位于常規(guī)以太網交換機與用電設備之間的PoE“供電器”，目的是在不影響現(xiàn)有網絡信號完整性的情況下增加功率。

端點通常用于新安裝的設備，或在較舊的網絡完全升級至PoE+時使用。在需要保留現(xiàn)有的以太網交換機以降低成本和簡化安裝的情況下，可采用中跨進行PoE+網絡升級（圖1）。中跨供電器的示例如MicrosemiCorporation符合IEEE802.3at規(guī)范的PD9001。

圖1：在將現(xiàn)有的以太網升級至PoE時通常使用中跨PoE安裝，因為這樣可以保留已安裝的電纜并降低成本。（圖片來源：MicrosemiCorp.）

端點和中跨實現(xiàn)還有一點更重要的區(qū)別；規(guī)范僅允許在B方案的實現(xiàn)（即在電纜中的非數據傳輸對上傳輸電力時）中使用中跨（圖2）。

圖2(a)：PoE/PoE+B方案要求在CAT5以太網電纜的備用線對（非信號）上傳輸電力。中跨PoE實現(xiàn)只能使用此配置。（圖片來源：SiliconLabs）

圖2(b)：PoE/PoE+A方案要求在CAT5以太網電纜的信號線對上傳輸電力。端點PoE實現(xiàn)可使用A方案和B方案配置。（圖片來源：SiliconLabs）

早期的PSE采用分立電路，并劃分為電源與以太網絡之間的通信接口。為簡化PoE系統(tǒng)設計，有廠家后來引入了集成的PSE控制器，將PoE+接口電路與電源結合起來。最近，系統(tǒng)設計得到了進一步簡化，增加了PSE控制器的功能，如此便可通過集成一個微控制器實現(xiàn)多端口的本地監(jiān)控。

實用PoE電源管理IC解決方案

SiliconLabs的Si3459PoEPSE端口控制器是一個單芯片解決方案實例。該芯片設計為在PSE端點中使用，并且集成了八個獨立端口，每個都帶有用電設備檢測和分類功能。此外，Si3459還可實現(xiàn)使用直流檢測算法的用電設備斷連、軟件可配置每端口電流和電壓監(jiān)視以及可編程限流功能。盡管芯片集成了一個8051微控制器，但還需要一個主機處理器才能實現(xiàn)完全控制。此處理器通過一個三線I2C兼容型串行接口與Si3459通信。通過在PoE系統(tǒng)中使用Si3459，設計人員可以大幅減少設計的元件數和復雜度。

SiliconLabs提供了適合基于Si3459的設計的評估套件Si3459-KIT。在正常工作期間，Si3459由主機處理器通過芯片的I2C接口進行控制，套件中包含圖形用戶界面(GUI)，因而可以更輕松地顯示和控制Si3459的I2C寄存器。評估套件需要使用PC，通過提供的GUI來控制評估板。套件包含兩個支持16端口演示系統(tǒng)的Si3459控制器。每個端口可提供30瓦的功率。

在計算PoE系統(tǒng)的功率要求時，需要考慮電纜損耗，這一點很重要。在1型配置中，該規(guī)格允許的PSE與PD之間的最大電纜電阻為20Ω(Rmax)（圖3）。此外，標準中還規(guī)定了PSE最大輸出電流(IPSE_out_max)、PSE最小輸出電壓(VPSE_out_min)和PSE輸出功率(PPSE_out)。此配置會造成約2.5瓦的電纜損耗，以及PD處出現(xiàn)相應的功率和電壓下降。

圖3：在這個1型配置中，20Ω電纜電阻導致電纜上出現(xiàn)2.45瓦的功率損耗。因此，傳輸到用電設備的功率降至12.95瓦，電壓則降至37伏。（圖片來源：SiliconLabs）

類別PSEPout最大值[W]Rcable最大值[Ω]PSEVout最小值[V]PSEIout最大值[mA]最大電纜損耗[W]PDPinmax[W]015.402044350.002.4512.9513.84204487.270.153.6926.492044147.500.446.05315.402044350.002.4512.95430.0012.550600.004.5025.50

表1：PoE0類、1類、2類和3類（1型）以及4類（2型）電纜的功率損耗。（圖片來源：SiliconLabs）

配置多端口PoE安裝

POE+的采納增強了該技術的實用性，因為它的功率傳輸更高，允許開發(fā)人員連接高耗電的設備，例如帶有平移、傾斜和縮放功能的安防攝像機。不過，包含數十個用電設備的大型系統(tǒng)需要大型電源，并且設計非常復雜。例如，考慮一個包含50個用電設備的系統(tǒng)，且所有設備均吸收可供2型系統(tǒng)使用的最大功率；這時電源需要提供1.5千瓦（50x30瓦）功率。而且，大型商用PoE+系統(tǒng)往往包含備用電源，以應對主設備故障。

但在典型的大規(guī)模PoE+安裝中，許多用電設備并不要求系統(tǒng)能夠提供最大功率。例如，Wi-Fi路由器、VoIP電話和LED燈等設備需要的功率小于10瓦。盡管這會降低電源的總體需求，但它增加了配置系統(tǒng)電源管理的難度。

芯片供應商通過提供電源管理控制器，減輕了設計人員的PoE+電源管理負擔。這些集成的設備（例如SiliconLabs的Si3484）將會監(jiān)控多端口PoE+實現(xiàn)的所有功率要求。

Si3484作為電源管理器，旨在監(jiān)控多達64個端口（由三個成組電源供電），從而實現(xiàn)單一系統(tǒng)電源。盡管Si3484能夠向所有64個端口提供30W功率，但它的主要設計用途是對混合了0類、1類、2類和3類設備以及在2型安裝中使用4類設備的系統(tǒng)進行配置。

設計人員可通過芯片的SPI或UART接口配置Si3484電源管理控制器，以設置系統(tǒng)的電源容量、端口功率配置（1型或2型）、端口優(yōu)先級、檢測定時（在方案A與方案B之間略有不同），以及故障恢復協(xié)議。完成設定后，Si3484無需主機處理器介入便可工作。可提供并連續(xù)更新端口和總體狀態(tài)信息。

Si3484設計成與上述Si3459PoEPSE端口控制器配合使用。該電源管理控制器使用Si3459的實時過載和電流監(jiān)控功能來管理在64個端口之間共享的電源（圖4）。

圖4：SiliconLabs的Si3484電源管理控制器可與該公司的Si3459端口控制器配合使用，用于控制多個電源并配置多個0類、1類、2類、3類和4類端口的輸出。（圖片來源：SiliconLabs）

PoE電源管理

單個Si3484電源管理控制器可支持多達8個Si3459端口控制器（每個包含8個端口），從而構建出一個包含64個端口的安裝。端口控制器負責低級端口功能，如用電設備的檢測和分類，而電源管理控制器則監(jiān)控所有端口之間的功率分配。

開發(fā)人員可以為每個端口配置可選的功率限制，以限制電源管理器提供給特定設備的最大功率。如果用電設備的功率要求大于分配給端口的限制，則該請求將被拒絕，以避免系統(tǒng)過載。

將更多的用電設備連接到備用端口后，電源管理控制器會根據用電設備的分類確定可能的功率要求。如果有足夠的開銷，則進行供電，否則拒絕該請求。Si3484也可以在連接過程中動態(tài)調整授予用電設備的功率。在發(fā)生端口過載時，電源管理控制器會關閉該端口。

Si3484芯片使用基于授權或用量的策略，并考慮電纜損耗，將功率分配給每個端口。按照基于授權的策略，端口不論使用與否，都被分配設定的功率。新用電設備的功率將從剩余的功率開銷中分配。此方法的優(yōu)勢在于，如果用電設備的功耗在工作期間增大，則可以增加供電–前提是沒有超過原始授權。不足之處在于效率低下，因為新的用電設備無法接入現(xiàn)有授權的未使用分配量（圖5a）。

圖5a：Si3484可實現(xiàn)基于授權的電源管理策略，其中的用電設備不論使用與否，都會被分配了預設的功率。這種策略以系統(tǒng)效率為代價，實現(xiàn)了靈活的用電設備功耗。（圖片來源：SiliconLabs）

基于用量的策略更加高效，但如果用電設備的用量超過了原始分配量，則可能導致端口過載。為避免重復發(fā)生系統(tǒng)過載，開發(fā)人員可以指定禁止功率保留，在現(xiàn)有用電設備功耗升至超過原始分配量時服務現(xiàn)有用電設備，而不是將其分配給新設備。

開發(fā)人員還可以配置Si3484在短時間內提供功率過載。這種過載通常在現(xiàn)代電源的能力范圍以內，前提條件是不會持續(xù)過長時間（圖5b）。

圖5b：基于用量的電源管理策略更加高效，并可實現(xiàn)功率分配的保留和過載。（圖片來源：SiliconLabs）

在工作期間，如果系統(tǒng)過載小于過載限制，則電源管理控制器會按照優(yōu)先級順序關閉端口，直至系統(tǒng)不再受到壓力。如果系統(tǒng)已嚴重過載（如果三個電源中的一個離線，可能會發(fā)生這種情況），Si3484將會關閉所有低優(yōu)先級端口，然后按照優(yōu)先級順序逐一關閉更多端口，直至系統(tǒng)恢復安全狀態(tài)。

總結

PoE和PoE+使得以太網絡不但可以傳輸數據，而且還能傳輸電力。在標準中增加IEEE802.3at修訂后，擴充了這種技術的適用范圍，能夠接受諸如移動安防攝像機之類更高功耗的設備。

不過，大型系統(tǒng)中如果有多個高功率端口，則需要使用大型電源和細致的電源管理，以避免系統(tǒng)過載和損壞。電源管理控制器簡化了設計，允許開發(fā)人員配置多端口PoE系統(tǒng)，從而精確、高效地滿足應用的需求。