POE网口供电设备的负载装置实现方法

陈俊鹏

摘 要：本文介绍了以太网网口的基础，POE的工作原理和工作过程。介绍了一种PD设备电源管理芯片LTC4257 1 的内部结构和工作原理，并根据其工作原理实现一种符合GB4943.1 2011 标准要求的辅助测试设备，能让POE网口满功率输出的受电设备负载装置。

关键词：IEEE 802.3af标准；POE；供电设备；受电设备；LTC4257 1 芯片；负载装置

0 引言

POE即以太网供电网络，由电气与电子工程师协会于2003年6月发布，标准为IEEE802.3af，它在IEEE802.3标准的基础上将直流电源耦合进以太网技术，可以同时为接入的满足要求的网絡设备传输数据和提供电源。随着近几年互联网技术的飞速发展，物联网概念开始兴起，万物互联的时代即将到来。各式各样的网络设备、物联网家居产品相继面世，特别是一些有线接入的物联网设备，如IP电话、网络摄像机、LED照明灯、无线接入设备等，在接入互联网时需要额外布置电源线和插座，给这些设备安装带来了诸多的不便。而带POE功能的网络交换机或路由器就可以为这些设备直接供电，所以带POE功能的网络交换机或路由器的需求也越来越多。这些带POE网口的供电设备在认证中需满足GB4943.1 2001 标准或IEC 62368 1：2018 标准的要求：受试设备要在正常工作的最严酷条件下进行试验[1]和“向其他设备供电的设备的输出电力，除直接与电网电源连接的插座和电气插座外，要接上最不利的负载阻抗，包括短路[7]”。这就要求带POE供电网络的受试设备的POE网口要满负荷带载试验，在没有符合IEEE 802.3af标准的受电端设备激活POE网口的情况下，很难对POE网口带载，而普通的受电设备（如IP电话、网络摄像机等）又不能使POE端口满负载输出。所以设计一款符合IEEE 802.3af标准的能使POE设备网络端口满负载输出的负载装置在产品的认证测试中就显得极其重要。

1 以太网供电技术的介绍

1.1 以太网基础

一般的交换机或路由器网口都采用RJ45端口，传输介质一般为无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。UTP内含8跟导线，每根导线直径约0.5 mm2， 两两相绞在一起，形成4对，采用不同的颜色区分。RJ45端口与UTP连接一般采用TIA/EIA（电信工业协会/电子工业协会）568B标准，其规定了UTP线对2和线对3（共4芯线）分别做发射和接收，分别接在RJ45端口的针脚1（Tx +，发射正）、针脚2（Tx ， 发射负）和针脚3（Rx +，接收正）、针脚6（Rx ，接收负）[3]，而其他线对处于空闲状态，如图1所示。

设备入网时，将两端都是RJ45插头的UTP网线分别连接到网卡和交换机的RJ45插座上，但网卡的发送/接收信号线必须与交换机的接收/发送信号线交叉相连，以保证网卡的接收端连接到交换机的发送端，网卡的发送端连接到交换机的接收端，如图2所示。UTP线上的发送和接收线对是分开的，这样就不会在同一UTP线对上出现发送信号和接收信号冲突的现象，而且采用了一种冲突检测机制，当检测到发送线对和接收线对同时有信号时，就认为产生冲突而停止工作。

1.2 POE的工作原理

POE（power over ethernet）是指在原有以太网标准的基础上，为一些有线接入的网络设备（IP电话、网络摄像机、LED照明灯、无线接入设备等）提供数据传输的和直流电源的技术。POE系统包括：提供电源的供电设备（power sourcing equipment，PSE）和使用电源的受电设备（PD，power device）。PSE即POE系统中提供电源的设备，同时实现对输出端口功率的规划和管理。PSE的供电方式有两种：中跨方式（midspan）和端跨方式（endspan）。中跨方式是在以太网设备外部接入1个扩展的电源设备，原有传输信号的线对保持不变，利用双绞线中未使用的备用线对给设备供电。而端跨方式是将供电的控制电路集成到以太网设备中，在以太网供电控制电路的控制下，把电源加在以太网端口隔离变压器的中心抽头，利用UTP线的传输线对为设备供电，或者利用UTP线中未使用的备用线对给设备供电[2]。PD设备是接收供电的PSE负载，即POE系统的客户 端[3]，本文所要实现的负载装置即PD设备。

POE供电系统的主要供电参数为[4]：

1）供电电压为（4457） V ，一般为48 V；

2）最大启动电流为500 mA，允许的最大电流为550 mA，工作的电流一般为：（10350） mA ，过载时的检测电流为（350500） mA ；

3）在空载条件下，最大电流不超过10 mA；

4）为受电设备（PD）提供（3.8412.95） W 5个等级功率请求，最大不超过13 W[4]。

POE供电系统的工作过程为：

1）检测：PSE设备的端口输出一个很小的检测电压，直到检测到连接在线缆终端的设备是一个满足IEEE 802.3af标准的受电设备。

2）PD设备的分类：当检测到满足要求的PD设备后，PSE设备开始为PD设备分类，并根据PD设备的要求分配功率等级。

3）开始供电：在一个小于15 μs的启动时间内，PSE设备开始从低压开始为PD设备供电直到提供48 V的直流电压为止。

4）供电：PSE设备始为PD设备提供稳定可靠的48 V直流电源，并满足PD最大不超过13 W的功率消耗。

5）断电：当PD设备从网络上断开时，PSE设备会快速地在（300400） ms 时间内停止位PD设备供电，并重复步骤1检测线缆终端是否有满足要求的受电设备[4]。

当有网络设备连接到带POE功能的PSE设备时，PSE设备会先检测接入的网络设备是否符合供电要求，若不符合POE标准则只进行数据传输，因为额外的供电可能会损坏该网络设备。检测过程是PSE给接入的设备提供一个电流受限的（2.010.0） V 的电压，用于检测该设备是否有符合POE标准的25 k 特性电阻。只有检测到满足要求的特性电阻，PSE设备才会提供48 V直流电压。接着PSE设备会根据PD设备的功率请求进行分类，以高效的方式同时为不同PD设备供电。PSE设备开始供电后，会持续地监测PD设备的电流输入，当PD断开连接或输入电流小于10 mA时，PSE设备会停止供电并一直重复检测过程。

标准的UTP线中有四对双绞线，但是在进行数据通信时只用到其中的2对（线对2和线对3），POE通过线缆供电时可以通过没有使用的备用线对进行供电，也可以用数据引脚进行供电，两种供电的电路如图3所示。当使用备用引脚进行供电时，4、5引脚接为正极，7、8引脚接为负极；当使用数据引脚供电时，是将DC电源加在网络变压器的中心抽头上，它是以共模输出的方式加在双绞线上，因而不会影响差模数据的传输，该方式下两数据引脚线对是可以任意极性的。IEEE 802.3af标准中不允许同时使用上述两种情况，PSE设备只能提供一种供电方式，但是PD设备必须自动适应两种供电方式。

2 受电设备负载装置的实现方法

当网络设备接入PSE设备时，PSE会监测接入的设备是否满足IEEE 802.3af标准的PD设备，只有满足要求的PD设备，PSE才会为PD供电。所以设计的负载装置必须是满足IEEE 802.3af的PD设备。随着以太网技术的不断发展，国际芯片公司纷纷推出了具有自己特色的以太网供电管理芯片。对于PD设备的电源管理芯片比较出名的有：德州仪器（T1）的TP2370/TP2371/TP2375/TP23750、ADI公司的LTC4257/LTC4257-1/LTC4267、美信公司（Maxim，2021年被ADI收购）的MAX5940A/MAX5940B/MAX 5941A/MAX5941B等[3]。本文受电设备负载装置采用的是ADI公司的LTC4257 1 芯片。LTC4257 1 芯片具有可编程的分级电流、良好的互补电源输出、内置25 k 特征电阻、过热保护机制、欠压闭锁保护等特性，其封装和内部原理如4所示[6]：

由图3可知，PSE设备有两种供电方式，且当使用数据线对进行供电时，电源的极性是任意的，作為受电设备负载装置必须适应两种方式，且能自动识别出电源的正负极。负载装置设计时可用二极管整流桥识别出电源的极性，同时用两个同样的二极管整流桥组成的逻辑或电路来适应两种PSE供电方式，如图5所示。

LTC4257 1 的工作模式根据输入电压来决定，输入引脚VIN的电压以引脚GND为参考点，引脚GND的电压必须大于引脚VIN的电压，才能保证芯片正常工作。下面我们根据LTC4257 1 的各个工作模式情况来实现负载装置的电路设计。

侦测阶段：一开始供电设备提供一个（2.010.0） V 的电压给受电设备负载装置，用于探测负载端是否有25 k 的特性电阻，若存在，这负载装置是满足PSE供电要求的PD设备。有图4可知，在GND引脚和VIN引脚间串联着一个9 k 和16 k （共25 k ）的特征电阻。而在16 k 电阻上又并联一个N沟道增强型MOS管，栅极外接到芯片的SIGDISA引脚。可以通过SIGDISA引脚来控制MOS管，即控制GND引脚和VIN引脚间的阻值，从而控制受电设备是否能被监测到。本次设计的负载装置希望一接到PSE设备时就能被监测到，这时只要将SIGDISA引脚连接到VIN引脚即可。

分级阶段：当PSE设备监测到满足供电要求的负载时，PSE设备将对负载装置进行功率分配，以满足不同功率要求的负载装置。一旦PSE探测到负载端有25 电阻时，PSE的电压上升到15.5到20.5 V之间。由图4可知，此时GND引脚和RCLASS引脚导通，在RCLASS引脚和VIN引脚接入一个RCLASS电阻，此时PSE端可监测通过RCLASS电阻的电流来对负载装置进行功率分级。分级探测电路如图6所示，功率分级和RCLASS电阻上的电流关系如表1所示。从表1可知，为了使PSE设备满最大功率输出，RCLASS的取值应为45.3（ ，1%）。在分级阶段，VIN引脚和VOUT引脚间的MOS管始终是截止的，即VOUT端没有电压输出，能量没有传递到芯片的后端。整个分级过程满足IEEE 802.3af的要求在75 ms内完成，以保证LTC4257 1 不会因为分级时间过长消耗大量能量而过热保护。

供电阶段：在侦测阶段和分级阶段后，PSE供电电压持续升高，当GND引脚和VIN引脚间的电压大于ULVO阈值时，GND引脚和VIN引脚间的MOS管导通，LTC4257 1 将能量传递到后面的负载端，如图7所示。

断电阶段：PSE设备有两种方法来检测PD是否断开：直流断路检测方法：当PSE设备在检测到PD设备的电流在给定的时间内TDIS（300400） ms 保持低于阈值IMIN（5 10） mA 时，就认为PD设备是断开的，PSE设备就会停止供电；交流断路检测方法：PSE设通过向端口施加一个交流电压，并监测PD设备的输入电流，从而计算出PD设备的交流输入阻抗，只有当交流阻抗小于26.2 k ，才认为有PD设备相连，否则断开电路停止供电。

在认证测试过程中，按GB4943.1 2011标准要求：带POE功能的网络设备必须在满负载状态下进行安规测试，以保证在最大功率下，网络设备也满足认证标准要求的。所以受电设备的负载装置，必须使POE设备的端口满负载输出12.95 W，而一般POE输出电压是48 Vdc，从而可求得负载装置的负载电阻约为178 ， 考虑到电阻前端的电路会有功率消耗，负载电阻采用4个5 W/47 的水泥电阻，其实现电路如图8所示。图中的D10为LED灯，用于指示该端口是否被PSE设备激活。一般带POE功能的网络设备都有多个POE网口，所以受电设备的负载装置也要有多个的PD负载，单个端口就有近13 W的功率，且负载端用的都是纯阻抗，发热量大，需要风扇进行散热。本负载装置风扇采用DATA1238B8M风扇，规格为48 Vdc，0.23 A，风扇为可选配置，根据负载的发热情况选择性接入。由图8可知：当未接入风扇时，Q1是导通的，POE电压直接给水泥电阻供电，当接入风扇时，Q1截止，断开了水泥电阻，POE电压给风扇供电。这样就保证了单个POE网口都满足以最大功率输出，不会出现过载的情况。

随着PD设备功能和种类的增多，功率也越来越大，IEEE 802.3af标准的12.95 W的POE供电已经无法满足大功率PD设备，这也制约着POE技术向其他领域发展，为了解决POE功率限制和更好地发展POE应用，IEEE制定了IEEE 803.3at标准，该标准允许PD设备功率提高到25 W甚至更高的功率。目前国际芯片公司也推出了相应标准的PD电源管理芯片，其工作原理和运用方式与IEEE 802.3af标准的芯片大致相同，本文不再赘述。

3 结束语

随着互联网技术的快速发展，特别是万物互联的当代，网络设备的需求也越来越大，设备的功率也越来越大。特别是带POE功能的网络设备，由于本身自带供电功能，给连接的受电设备带来的方便，省去了电源布线的繁琐。但是功率越大的网络设备也存在更大的安全隐患，特别是带多个POE网口的网络设備，功率可达上千瓦。大功率网络设备带来的是更大的发热而引起的安全隐患，还有在大功率输出状态下和高温状态下网络设备电气结构的稳定性不好。所以在做安全认证时，必须保证这些网络设备在满负载输出时也符合安规标准要求。因为只有在最严酷的条件下满足安规要求，才能保证在任何功率下的网络设备也符合安全标准要求。所以能使POE网络设备满负载输出功率的受电设备负载装置在安规认证中是不可缺少的辅助测试设备。

参考文献：

[1]王莹，胡京平，李正，等.GB 4943.1-2011信息技术设备安全第1部分：通用要求[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2]白占元，徐皑冬，谭彩虹，等.以太网供电技术与实现[J].仪器仪表标准化计量，2004（3）：27-30.

[3]郭加明.太网在线供电系统——受电设备设计[D].南京：南京理工大学，2007.

[4]李元世，丘东元.以太网供电电源控制器的研究[C].第四届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集，重庆，2010.

[5]IEEE.IEEE Standard.802.802.afTM-2003[S].Amendment data terminal equipment（DTE）power via media dependant interface（MDI）.

[6]Linear Technology LTC4257-1.IEEE 802. 3af of PD Power over Ethernet Interface Controller with Dual Current Limit[EB/ OL].http：//www. datasheetcatalog. net/it/datasheet.pdf/ L/T/C/4/LTC4257-1. sheet.

[7] IEC/TR 62368-1：2018 Audio/video， information and communication technology equipment -Part2： Explanatory information[S].2018.

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