以太網供電 (PoE) 的主要優勢體現在它的簡易性上。但在 IEEE 802.3 以太網標準中引入對 (PoE+) 的“at”修訂后，與原始規范中的 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，系統往往包含多個電源以實現冗余，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中管理來自多個電源的不同功率水平，這一設計挑戰依然令人望而生畏。

可行的解決方案是讓電源系統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+ 系統的設計。

PoE 和 PoE+ 基礎知識

PoE 的簡易性體現在，在一根 CAT 5 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展，互聯網語音協議電話 (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 規范采納為現有 IEEE 802.3 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。

IEEE 802.3af 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 CAT 5（如果電源要求較低則為 CAT 3）電纜。

該標準的“B 方案”在 CAT 5 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。“A 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。

IEEE 802.3at 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 CAT 5 電纜，降低了阻抗和功率損耗。

IEEE 802.3at 修訂版向后兼容 IEEE 802.3af，而最新的 IEEE802.3-2012 標準則合并了 802.3at 規范。

除功率等級之外，PoE 元件可劃分為兩個類型：

• 1 型兼容 IEEE 802.3af 規范。

• 2 型兼容 IEEE 802.3af 和 802.3at 規范。

最新版的標準禁止在 CAT 5 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 960 mA 的電力。

PoE 系統的要素

IEEE 802.3af 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) 的并聯電容器作為“簽名”。檢測到 PSE 后，PSE 將與 PD 協商，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 Microsemi Corporation 符合 IEEE 802.3at 規范的 PD 9001。

圖 1：在將現有的以太網升級至 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：Microsemi Corp.）

端點和中跨實現還有一點更重要的區別；規范僅允許在 B 方案的實現（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 CAT 5 以太網電纜的備用線對（非信號）上傳輸電力。中跨 PoE 實現只能使用此配置。（圖片來源：Silicon Labs）

圖 2(b)：PoE/PoE+ A 方案要求在 CAT 5 以太網電纜的信號線對上傳輸電力。端點 PoE 實現可使用 A 方案和 B 方案配置。（圖片來源：Silicon Labs）

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多端口的本地監控。

實用 PoE 電源管理 IC 解決方案

Silicon Labs 的 Si3459 PoE PSE 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 系統中使用 Si3459，設計人員可以大幅減少設計的元件數和復雜度。

Silicon Labs 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 端口演示系統的 Si3459 控制器。每個端口可提供 30 瓦的功率。

在計算 PoE 系統的功率要求時，需要考慮電纜損耗，這一點很重要。在 1 型配置中，該規格允許的 PSE 與 PD 之間的最大電纜電阻為 20 Ω (Rmax)（圖 3）。此外，標準中還規定了 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 處出現相應的功率和電壓下降。

圖 3：在這個 1 型配置中，20 Ω 電纜電阻導致電纜上出現 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：Silicon Labs）

表 1：PoE 0 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：Silicon Labs）

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，且所有設備均吸收可供 2 型系統使用的最大功率；這時電源需要提供 1.5 千瓦（50 x 30 瓦）功率。而且，大型商用 PoE+ 系統往往包含備用電源，以應對主設備故障。

但在典型的大規模 PoE+ 安裝中，許多用電設備并不要求系統能夠提供最大功率。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 Silicon Labs 的 Si3484）將會監控多端口 PoE+ 實現的所有功率要求。

Si3484 作為電源管理器，旨在監控多達 64 個端口（由三個成組電源供電），從而實現單一系統電源。盡管 Si3484 能夠向所有 64 個端口提供 30 W 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，以設置系統的電源容量、端口功率配置（1 型或 2 型）、端口優先級、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。可提供并連續更新端口和總體狀態信息。

Si3484 設計成與上述 Si3459 PoE PSE 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控功能來管理在 64 個端口之間共享的電源（圖 4）。

圖 4：Silicon Labs 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：Silicon Labs）

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控所有端口之間的功率分配。

開發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調整授予用電設備的功率。在發生端口過載時，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有授權的未使用分配量（圖 5a）。

圖 5a：Si3484 可實現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。這種策略以系統效率為代價，實現了靈活的用電設備功耗。（圖片來源：Silicon Labs）

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。為避免重復發生系統過載，開發人員可以指定禁止功率保留，在現有用電設備功耗升至超過原始分配量時服務現有用電設備，而不是將其分配給新設備。

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

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

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

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 IEEE 802.3at 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，以避免系統過載和損壞。電源管理控制器簡化了設計，允許開發人員配置多端口 PoE 系統，從而精確、高效地滿足應用的需求。