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PoE(Power over Ethernet)
PoE(Power over Ethernet)即“以太网供电”,其在以太网电缆中加入直流电源,使得网络设备可以通过网线直接供电。
常用标准
PoE属于Ethernet 802.3标准的一部分:
802.3 af、802.3 at参考802.3第33章“Power over Ethernet over 2 Pairs”,
802.3 bt则参考802.3第145章“Power over Ethernet”。
版本差异
PoE各版本的差异见如下表,分别按Class、和Type进行区分,后面发布的版本完全兼容前面的版本,如Type 4完全兼容Type 1~3,Class 7和Class8是只有Type 4才支持的新Class 。
802.3 | Type | Class | Cable | PSE | PD | |||||||||
Pairs | Minimum Voltage/V | Pclass/W | Ppeak/W | Ilim_min mA/pairset | Hardware classification | Autoclass | Short MPS | Minimum Voltage/V | Pclass_pd /W | Ppeak_pd /W | Autoclass | |||
802.3af PoE | Type 1 | Class 1 | Type 1/2: 2 Type 3/4: 2 or 4 | 44 | 4 | 5.3 | 400 | optional | No | No | 42.8 | 3.84 | 5 | No |
Class 2 | 44 | 7 | 9.2 | 400 | 42 | 6.49 | 8.36 | |||||||
Class 3 | 44 | 15.4 | 17.6 | 400 | 39.9 | 13 | 14.4 | |||||||
802.3at PoE+ | Type 2 | Class 4 | 50 | 30 | 34.1 | 684 | 42.5 | 25.5 | 28.3 | |||||
802.3bt PoE++ | Type 3 | Class 5 | 4 | 50 | 45 | 47.7 | 580 | Yes | optional | Yes | 44.3 | 40 | 42 | optional |
Class 6 | 50 | 60 | 63.7 | 720 | 42.5 | 51 | 53.5 | |||||||
802.3bt PoE++ | Type 4 | Class 7 | 52 | 75 | 79.8 | 850 | 42.9 | 62 | 65.1 | |||||
Class 8 | 52 | 90 | 96.3 | 1005 | 41.1 | 71.3 | 74.9 |
备注:
- Pclass: The steady-state continuous or average power required by the PD translated to the PSE interface
- Ppeak: The sporadic and transient (< 50msec) peak power required by a PD also translated to the PSE interface
- Ilim_min: The maximum current a PSE should tolerate over a short transient (< 10msec) interval
- Pclass_pd: The steady-state continuous or average power required by the PD
- Ppeak_pd: The sporadic and transient (< 50msec) peak power required by a PD
对于802.3bt dual-signature单独列表如下:
802.3bt dual-signature | Type | Class | Cable | PSE | PD | |||||
Pairs | Minimum Voltage/V | Pclass W/pairset | Ppeak W/pairset | Ilim_min | Minimum Voltage/V | Pclass_pd W/pairset | Ppeak_pd W/pairset |
|||
Type 3 | Class 1 | 4 | 50 | 3.9 | 5.1 | 400 | 42.8 | 3.84 | 5 | |
Class 2 | 4 | 50 | 6.6 | 8.5 | 400 | 42 | 6.49 | 8.36 | ||
Class 3 | 4 | 50 | 13.5 | 15 | 400 | 39.9 | 13 | 14.4 | ||
Class 4 | 4 | 50 | 30 | 34.1 | 684 | 42.5 | 25.5 | 28.3 | ||
Type 4 | Class 5 | 4 | 52 | 45 | 48.1 | 990 | 41.1 | 35.6 | 37.4 |
按Type进行对比,列表如下:
802.3 | Type | Cable | PSE | PD | ||||||
Highest Current per Pair | Channel maximum DC pair loop resistance | min. Cat? | Voltage | Min Power/W | at least Class | up to Class | Voltage | Max Power/W | ||
802.3af PoE | Type 1 | 0.35A | 20Ω | Cat3 | 44-57V | 15.4 | 1 | 3 | 37-57V | 13 |
802.3at PoE+ | Type 2 | 0.6A | 12.5Ω | Cat5 | 50-57V | 30 | 4 | 42.5-57V | 25.5 | |
802.3bt PoE++ | Type 3 | 0.6A | Cat5e | 60 | 1 | 6 | 51 | |||
802.3bt PoE++ | Type 4 | 2 pairs: 0.6A 4 pairs: 0.96A | 52-57V | 90 | 7 | 3 | 41.1-57V | 71.3 |
系统架构
包括供电设备PSE(Power Source Equipment)、受电设备PD(Powered Device)和传输线(网线)。
PSE有两种,端跨(“End-Point” switches/routers)和中跨(“Mid-Span” power “adder” devices),如下图左边为端跨,交换机网口输出支持PoE;右图则为中跨,交换机不支持PoE,交换机和PD之间加了一个设备(PoE Injector)以提供电源1)。
对于Type 1和Type 2,只用了2对线,其有两种接法,Alternative A和Alternative B,具体见下图。PSE可以选择只支持其中一种,或者支持两种,但同时只能选择一种用。对于PD来说,则这两种接法都需要支持。
对于Type 3和Type 4,其有2对线和4对线两种用法,2对线的接法和上述Type 1和Type 2的相同。4对线的接法如下图:
RJ45网口连接器pin脚和电源正负极的对应关系见下图:
工作流程
检测(Detection)
通过加电测量电阻等来确定连接至PSE的远端设备是否是PD设备,避免给非PD设备上电而导致损坏。
检测电阻公式如下,其通过两组测量值来计算:
Rdetect =(Vdetect1 − Vdetect2)/(Idetect1 − Idetect2)
Vdetect的电压范围为2.7~10.1V,Vdetect1和Vdetect2之间的电压差>=1V。
满足如下条件的即为PD设备。
- PD侧:23.7kΩ < Rdetect <26.3kΩ(典型值24.9kΩ)。
- PSE侧:19kΩ < Rdetect <26.5kΩ。输入电容在50nF和120nF之间(典型值100nF)。输入串联电感小于100uH。
检测流程见下图:
对于Type1(802.3 af)和Type2(802.3 at),因只支持2线(ALT A或ALT B)工作,则只需在检测一次即可。对于Type3和Type4(802.3bt),因支持4线,则需要分两组((ALT A或ALT B))单独检测。
对于Type3和Type4(802.3bt)还需要一个步骤“Connection Check”用于确认PD是“Single-signature(单特征)”还是 “Dual-signature(双特征)”。
Single-signature(单特征)和Dual-signature(双特征) PD设备如下图,从图中可知,Single-signature PD内部有一个受电设备,而Dual-signature(双特征)则有两个单独的受电设备。
判断PD设备为Single-signature(单特征)有两个条件:
- 当没有电压或电流施加到另一模式时,在给定模式下呈现有效的检测特征
- 当任何3.7V至57V范围内的电压应用于另一个模式或任何大于124 µA 的电流应用于另一个模式时,不应在给定模式下呈现有效的检测特征。
判断PD设备为Dual-signature(双特征)只需一个条件:
- 无论施加任何一个0V至57V之间的电压到另一个模式的,给定模式下呈现有效的检测特征,
分类(Classification)
检测完成,给PD上电之前,PSE和PD之间协商确定能给PD分配多大的功率,按不同的类别分配对应的功率,即分类(对应PoE版本差异列表中的class x)。
分类有两种,物理层分类(Physical Layer classification)、数据连接层分类(Data Link Layer classification)。
特别提下,对于不支持分类的伪PD设备,其会被分类为class 0,对应class3的最大功率13W。
分类完成后,可以根据class,pse的Duration first class event来获知PD和PSE对应的Type,详见下面两张表。
Requested Class | PD Type |
0 | Type 1 |
1,2,or 3 | Type 1 or Type 3 |
4 | Type 2 or Type 3 |
5 or 6 | Type 3 |
7 or 8 | Type 4 |
Duration first class event | Assigned Class | PSE Type |
short(≤75 ms) | 1 - 3 | Type 1 or Type 2 |
4 | Type 2 | |
long(≥88ms) | 1 - 6 | Type 3 or Type 4 |
7 - 8 | Type 4 |
物理层分类(Physical Layer classification)
物理层分类,包含一系列分类事件(class event),PSE给PD加电压(15.5~20.5V),PD以预先设定的电流来回应。
下图为Type 2和Type 3/4物理层分类时序图,不同的Type其class event数不同:
PSE Type 、PD class 与 class event、pd电流关系见下表:
PSE Type | Type 4 | ||||
Type 3 | |||||
Type 2 | |||||
Type 1 | |||||
PD Class | Events 1 | Events 2 | Events 3 | Events 4 | Events 5 |
Class 1 | 10.5 mA | 10.5 mA | |||
Class 2 | 18.5 mA | 18.5 mA | |||
Class 3 | 28.0 mA | 28.0 mA | |||
Class 4 | 40.0 mA | 40.0 mA | |||
Class 5 | 40.0 mA | 2.5 mA | |||
Class 6 | 40.0 mA | 10.5 mA | |||
Class 7 | 40.0 mA | 18.5 mA | |||
Class 8 | 40.0 mA | 28.0 mA | |||
Class 1(Dual) | 10.5 mA | 2.5 mA | |||
Class 2(Dual) | 18.5 mA | 2.5 mA | |||
Class 3(Dual) | 28.0 mA | 2.5 mA | |||
Class 4(Dual) | 40.0 mA | 2.5 mA | |||
Class 5(Dual) | 40.0 mA | 28.0 mA |
自动分类(Autoclass)
对于Type 3和Type 4, 物理层分类还有个附加的可选分类“自动分类(Autoclass)”,PSE通过测量PD的实际功率,来对PD进行更精确的供电,避免预留的功率偏大。PSE和PD均需要支持Autoclass才能进行此分类。
Autoclass分类的申请是通过在第1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。PSE和PD的电压、电流波形如下图所示。
在上电完成后,PD在特定时间内(开机后1.35S~3.65S)会将负载电流拉到最大并持续一段时间(即对于超过3.65s才进入最大功耗的PD不适合),PSE同步测量这个负载电流,按照测量到的电流,PSE给PD供电。自动分类的拉载过程如下图所示。
数据链路层分类(Data Link Layer classification)
上电
分类完成,PSE输出给PD开始上电到稳态,这个过程有inrush(输入浪涌)的要求。
对于PSE,输出电压大于30V的情况下,Iinrush电流要求见下图。
对于PD,要求如下图,Iinrush_PD (single-signature 400 mA for class1~6 or 800 mA for class 7~8)。
供电
PD的要求见下图,如果不满足要求,则PSE停止供电。
- 1s内的平均功率不超过PClass_PD or PDMaxPowerValue or PAutoclass_PD。
- 1s内超过PClass_PD的持续时间不大于50ms
对于PSE,电流模版如下,既要能提供lower bound template的电流,也不能超过upper bound template电流。
Type 1/2:
Type 3:
Type 4:
下电
当PD设备断开后,PSE需要立即停止供电,并回到检测的状态。时序图如下:
Maintain Power Signature (MPS)是判断PD是否断开的一个机制,其PD设备未断开的要求如下,详见下图:
- 对于Type 1/2,每隔250ms至少有75ms时间DC电流不小于10mA,且AC电流不小于2.16mA。
- 对于Type 3,每隔310ms至少有7ms时间DC电流不小于16mA,对AC电流无要求。
- 对于Type 4,每隔310ms至少有7ms时间DC电流不小于16mA,对AC电流无要求。
标准PSE、单片机PSE和非标准PSE的差异
标准PSE包括了完整的检测、分类、上下电控制等,单片机PSE有检测的步骤,按标准检测到PD设备后直接供电,而非标准PSE,则无任何步骤,直接就是固定电压的输出,非标准PSE(通常也叫非标PoE)其固定电压一般为24V、48V。标准PSE、单片机PSE和非标准PSE的区分可以通过万用表或示波器测量输出电压区分。
伪PD
伪PD为非标准的PD,无相应的PD芯片,也无和PSE之间的交互,只是改造硬件,让PSE误认为其是标准的PD设备,从而为其供电。因PSE无法对伪PD进行具体分类,伪PD会被分类为TYPE 1 class 0设备,最大功率13W。
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