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基于以太网的供电系统(PoE)介绍

浏览:7540  来源:通信人在线  日期:2019-12-31

一、概述

1、概念

基于以太网的供电系统(PoEPower over Ethernet)是指数据终端设备(DTEData Terminal Equipment)通过以太网链路提供电能或者获得电能的技术。数据终端设备(DTE)是指用于以太网作为接入网的网络环境中的电信交换、路由设备和各种需要连接以太网口的设备。基于以太网的供电系统(PoE)属于通信传输网络供电系统的范畴。

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2、用途

基于以太网的供电系统(PoE)可实现在同一连接器中以太网数据与电功率一道传送,从而省去了专用的电源传输线和电源插座的安装。例如,为了达到一定的无线电覆盖率,无线接入设备(AP)通常要安置在天花板的镶嵌板上,在这个地方很难找到一个合适的交流电输出接口。因此,PoE对于不便于安装输电线路和电源插座的用电设备和系统尤其重要。由于采用此供电技术具有供电方便、省去了输电线路和电源插座的安装费用、增加了系统运行的鲁棒性和可靠性等诸多优点,为该供电技术在局域网和用户接入网中得以迅速普及创造了极为有利的条件。

PoE系统消除了无线设备和其他有线LAN上运行交流电源(110/220 VAC)的需要。使用PoE系统对于每个设备安装者仅需要运用可荷载电功率和数据单一的以太网电缆。这使网络设备有更大的灵活性并在许多情况下可降低安装费用,从而也提高了网络的可靠性。

3、标准

基于以太网的供电系统(PoE)最早是由IEEE 802.3af标准所规范的,IEEE 802.3af标准发布于20036月。后来IEEE2009年和2018年对IEEE 802.3af标准所规范的内容进行两次修订,分别发布的标准为IEEE 802.3at标准和IEEE 802.3bt标准,分别简称为(PoE+)和(PoE++4P PoE),两次修订都是IEEE 802.3af标准为基础,对PoE系统的性能及参数进行了增强。

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我国通信行业标准YD/T 2720《数据终端设备供电技术要求》参照了IEEE 802.3at标准,并整合了IEEE 802.3af标准,结合我国网络的具体情况,规定了DTE通过以太网链路提供电能或者获得电能(PoE+)的技术要求。

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二、系统组成

PoE供电系统是由供电设备(PSEPower Sourcing Equipment)、受电设备(PDPowered Device)和以太网标准电缆(俗称网线)馈电线路(PTLPower Transmission Line)及相关的配套设施组成。三个网元是通过RJ-45接口相互连接。

PD设备与IEEE 802.3af标准兼容时就可直接通过RJ-45插座从以太网电缆接受注入的直流电功率,而与PoE不兼容的PD设备可以采用直流选择变换器(Picker)或电压抽头装置(Tap)的方法,将其变换到PoE兼容的电压。因此PoE的完整组成是:由供电设备(注射器)、PoE标准兼容的PD设备及其以太网传输电缆组成;或由供电设备(注射器)、中跨设备(mid-span)和非兼容的PD设备及以太网传输电缆组成。mid-span设备可分为无源和有源两类,其功用详见下表2-1

2-1:无源和有源mid-span设备的功用

PoE供电系统呈星型拓扑结构,可与传送数据的以太网融为一体,IEEE 802.3af标准还支持一点到多点的电力分配设备,因此只需要在网络核心部位配备一套UPS设备就可以为本地网内多种分散PD设备提供电力供应。实际构成的PoE供电系统可以是由一个嵌入PoE电源的以太网交换机和若干个作为其电源负载的用电数字终端设备(DTE)组成的供电系统,也可以是由一个原普通以太网交换机和一个带电源的中继器或称中继器电源(Power-Hub)及配电设施(mid-span设备)组成的供电系统。作为PD的物理实体设备可由下表2-2所示的设备。

2-2:作为PD的物理实体设备示例

三、供电设备(PSE

PSE设备按IEEE 802.3af标准的规范其主要功能可说明如下:

1、组成两类供电系统

为实现对于PD设备的安全供电,按PSEPoE系统中的功能又可分为末端(End-spanPSE设备和中跨(Mid-spanPSE设备两类,相应的组成End-spanMid-span两类供电系统。关于末端(End-spanPSE设备和中跨(Mid-spanPSE设备的相关解释详见下表3-1-1。对应两类PSE设备,通常可分别组成下述Mid-spanEnd-span的三种常用供电系统(当然还有其它种类),其释义详见下表3-1-2

3-1-1PSEEnd-span设备和Mid-span设备的相关解释

3-1-2Mid-spanEnd-span的三种常用供电系统的释义

1)使用end-span-PSE在两条数据双绞线对上同时传送供电功率:具体情况如图3-1-1所示。

3-1-1:运用PoE供电设备(PSE)实现在两条双绞线对上同时传送供电功率和数据的实例

2)使用end-span-PSE在两条冗余的双绞线对上传送供电功率:具体情况如图3-1-2所示。

3-1-2:运用PoE供电设备(PSE)实现在两条冗余双绞线对上传送供电功率的实例

3mid-span-PSE被插入到与PoE标准不兼容的Switch/HubPD之间:具体情况如图3-1-3所示。

3-1-3:运用mid-span- PSE供电设备实现在两条冗余双绞线对上传送供电功率的实例

2PSE设备内设置检测机构

PSE设备内按IEEE 802.3af标准的要求设置一个检测机构,以便按IEEE 802.3af标准规范使PSE设备有对PD要求的供电状态的检测能力,即确定处于链路远端的PD有无端接和其要求提供的功率大小。检测机构不仅要观测功率输送值,而且还要观测PD工作时需要的峰值功率、空载需要的功率和电流保护的反应时间等。PoE电源除了有供电功能之外,还有电源短路保护功能,以防止过大的电流损耗。由于这个原因,对于每个端口定义了5级不同的最大允许能量输入具体详见下表3-2-1。按着电源的级别,激活适当的电流保护。检测机构的设置防止了发送不允许的电功率到PD设备。

3-2-1PSE物理层的功率分级

总之,为保证正常安全供电,PoE供电系统通过PSE设备对于PD设备状态的收集与判断,要经历检测、供电分级、启动供电和最后实现稳定供电几个过程,具体详见下表3-2-2。以上几个阶段是供电系统对PD设备建立稳定供电的过程,此过程的时间应尽可能短,通常被限制在500ms之内。此外,为了安全起见,应保证在远端的PD设备已经脱离供电系统时,PSE设备应停止向输电线路供电,以免由于错误连接造成其他设备的损坏。

3-2-2PSE供电经历的阶段

四、受电设备(PD

受电设备PD也被称为客户终端设备。在远端(用户边)PD设备的功能主要是按着标准IEEE 802.3af的规范,接受PSE设备的供电。用户应该有能力识别本身PD设备电源应设置到的适当级别,并且即使在PoE技术的安全保证情况下,通常用户也宁愿使用过流保护,以防万一超过允许的电压对设备的损坏。

作为IEEE 802.3af标准规范的供电系统中的PD设备必须接受IEEE 802.3af标准所规范的end-spanmid-span两种供电模式要求,支持供电系统中PSE设备对于表征PD设备性能参数的收集和建立稳定供电所需的检测、分级与启动的全部过程,总之PD设备必须充分满足IEEE 802.3af标准所规范的特性要求。由IEEE 802.3af标准所规范PD设备应有接受其标准供电系统规范的受控性能,接受PSE设备的检测和控制,为PSE设备提供必要的状态信息,以便得到PD终端设备正常运行所需的稳定工作电源。

为达到上述目的,PD设备在其检测、分级、启动直到最后建立起对PD设备的稳定供电的全过程中应满足对其的全部要求,以便PSE设备对其所处状态的检测进而对于需要的电功率进行分级,详见下表4PSE设备对于PD设备检测、分级和启动是对其建立供电系统供电的必经阶段,在这些阶段,PSE设备对其提供的电压较低并未达到所需的稳定工作电压,因此在这些阶段,PD设备是保持处于没有接受电源的欠压关闭状态,从而保证了这个阶段的顺利完成。

4:受电设备PD输入平均功率分级(依据IEEE 802.3at

五、输电线路(PTL

PTL是使用电缆传输介质,主要是8芯的双绞线对电缆(Twisted Pair Cabling)。为了使PoE与现存的以太网融为一体,使之成为以太网的重要组成部分而又不改变原以太网线路,通过冗余的双绞线对或传送数据的双绞线对输送规范的电功率。IEEE 802.3af标准规范了传送电功率应使用原以太网现存的非屏蔽双绞线对电缆,即355e6类电缆。明确了与其一起工作的现存电缆设施不需要任何改动,这其中包括355e6类电缆,以及水平电缆和短接线电缆、短接线板、电源插座引线和连接的硬件等。PoE通常使用的是非屏蔽双绞线对电缆(UTP),UTP也被称为特性阻抗100Ω的电缆。

由于UTP线径比较细,因此允许传送的电流功率都不能太大。IEEE 802.3af标准规范的以太网供电系统为每个节点提供的电流被限制在350mA之内。可以提供给每个节点的连续总功率,包括在运行电缆中的损耗总计仅为12.95W802.3at可达25W802.3bt可达71W),以便使规定在双绞线对上传输的电功率遵守安全标准和关于现行电缆标准要求。也由于要使用UTP传送的电功率要保证PD设备的工作,而传送的电压又较低,因此传送的电流相对较高,使在输电线路上功率损耗就比较大,通常在短短的输电线路上都要损耗1~2W

欲进一步了解IEEE 802.3af所规范的PoE系统的性能参数的请进入

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