PSE电路原理技术

摘 要

以太网供电（简称PoE）技术是以太网技术上的一次革命。本文主要探讨以太网供电技术，针对端口供电设备特别是以太网交换机，分析以太网供电的标准及关键技术，作为后续设计参考。本文分为六个部分：

第一章的概述介绍以太网供电（POE）简介和组成部分介绍

第二章对以太网供电标准进行分析介绍，告诉了标准的主要内容。

第三章重点讲述LLDP分级的原理和实现方法。

第四章讨论了PSE电路设计注意事项及现有PSE方案电路分析。

第五章分析PSE电路设计遇到的常见问题及案例

关键词

802.3af 802.3at PoE PSE

1. 概述

1.1. 以太网供电（POE）简介

以太网供电(Power over Ethernet， PoE)是一个比较通俗易懂的概念，它通过使用一根五类以太网线缆就可以同时为用户提供数据连接和电源，不需要另外进行布线。这不仅对于那些需要供电、但电源并不方便获取的设备特别有帮助，而且一般的终端设备也可以从这项技术中获益，IP电话、无线接入点、网络安全照相机都是很好的例子。下图是以太网供电应用的示意图：

图1-1 以太网供电示意图

由于以太网供电技术（PoE）的发展，诞生了“在未来，网线肯定比电源线好找”的大胆设想，在以太网供电技术的大量应用还未出现之时，我们对其赋予了美好地期待：以太网供电的鲜花在明天开放。这是因为供电技术有下面的优点：

1）由于每个设备只需要一组连线，因此每个设备的布线更为简单和便宜；

2）免去了AC插座和适配器，使工作环境更安全整洁，成本也更低。

3）能与标准以太网和快速以太网标准架构无缝集成。

4）不断断电源可确保在AC电源断电时继续为设备供电。

5）设备移动方便，可以移到任何有局域网线的地方，移动对工作场所影响最小

6）可对连接到以太网的设备进行远程监控。

1.2. 以太网供电（POE）的组成

一个完整的POE系统包括供电端设备（PSE，Power Sourcing Equipment）和受电端设备（PD，Power Deice）两部分。PSE设备是为以太网客户端供电的设备，同时也是整个POE以太网供电过程的管理者，它一般集成于交换机内。而PD设备是接受供电的PSE负载，即POE系统的客户端设备，如IP电话、网络安全摄像机、AP及掌上电脑（PDA）或移动电话充电器等许多其它以太网设备。下图是POE的架构图：

图1-2 POE架构图

从上面图片看，电力通过PSE控制电源的输出，然后经过网线传输到受电端设备PD供电。从上面描述可以知道PSE是整个POE系统的核心，PSE负责POE系统的电源管理。它连续监视网络上PD设备的连接状况，并根据PD的功率要求，将适当的电力通过网线给PD，并在PD下线时切断电源。

本文着重介绍供电端设备PSE。

1.3. POE相关名词说明

● PoE：Power over Ethernet，以太网供电

● PI：Power Interface，电源接口

● PSE：Power Source Equipment，供电设备

● PD：Power Device，受电设备

● ICUT ：Overload current detection range，过载时限制的最大电流

● ILIM ：Output current at short circuit condition，短路时限制的最大电流

● IInrush ：Current during inrush period of startup，启动时限制的最大浪涌电流

2. 以太网供电标准

国际电子工程师协会(IEEE) 在2003年7月11日前发布用于在标准以太网网线上供电的802.3af标准，名称为“802.3af-2003”。 802.3af特别工作组主席Steve Carlson表示，802.3af将提供全球第一个以太网供电标准。数千种创新的产品使用同一个连接器就可以使用功能强大和可靠的以太网以及电源。他预测，10年以后，也许没有人记得还有不供电的以太网端口。此后，国际电子工程师协会(IEEE)在2009年发布了在802.3af基础上的802.3at标准，名称为“802.3at-2009”。

与802.3af相比，802.3at可输出2倍以上的电力，每个端口的输出功率可在30W以上，因此可大幅拓宽PoE的应用领域：双波段接入，视频电话，802.11接入，RFID接入，工业传感器，POS终端等都将可以应用PoE技术来给终端提供充足的电力。标准中主要约束如下内容：

2.1 802.3af与802.3at差异

表2-1 802.3af与802.3at的主要差异

2.2 POE连接方式

PSE设备根据位于的位置不同分为两种：

l Endpoint PSE：类似交换机（Repeater）的DTE

l Midspan PSE：位于物理链路的两个MDI之间的PSE

这两种PSE都是标准支持的，不同在于：

l Endpoint PSE需要支持A和B两种供电模式，同时支持10BASE-T, 100BASE-TX and/or 1000BASE-T。

l Midspan PSE只需支持B供电模式，仅需支持10BASE-T、100BASE-TX。

对于10/100base-t，在Alternative B线对供电情况下，PSE直接连到电缆上，不需要经过隔离变压器的中心抽头，这样就不需要POE专用的大电流隔离变压器，可以节省成本。但1000base-t无论是哪种线对供电，都必须通过隔离变压器的中心抽头输出。使用Alternative A供电时，MDI与MDI-X接口的极性是相反的，所以PD端必须使用全桥整流。

图2-1 POE接线方式

A/B模式的管脚定义：

表2-2 A/B接口定义表

2.3 POE工作过程及指标

POE主要工作过程为供电过程和断电过程。其中供电过程为PD在位检测，分级检测并供电。供电过程的时序见下图：

图2-2 PSE供电过程图

断电有多种原因，可能是因为PD断连，也可能是因为端口短路或过载，也可以是因为用户或系统将端口关闭。断电过程的时序见下图：

图2-3 PSE断电过程图

表2-3 802.3af中POE各阶段电压范围

2.3.1 PD检测

l PSE检测PI是否存在25K的特征电阻，若有则表示该设备为PD。

l PSE检测PD的电压Vdetect需在Vvalid范围2.8-10V内。

l PSE至少使用不同的测试电压进行2次测试，即：

l R＝（U2-U1）/（I2-I1），U1和U2的电压差至少1V。

l PD被检测有效条件：

n Rgood＝19k-26.5k

n Cgood<150nF

l PD被检测无效条件：

n Rbad<15k or Rbad>33k

n Cbad>10uF

l 若检测到PD电阻大于Ropen（500k），则认为开路，认为PD不存在。

2.3.2 PD分级

由于受电设备的种类很多，需要的电源功率各不相同，所以在供电设备正确检测到受电设备以后，接着向线缆上施加一个15.5V至20.5 V的探查电压，以决定输出多大的功率给连接在线缆上的受电设备，这个过程称为PD功率分级。在这个过程中，符合规范的受电设备会将一个分级电阻串联到线缆中。同时，受电设备表现得近似为一个恒流源，用来指示本用电设备将要吸取的最大功率。供电设备通过测量以太网双绞线中的电流大小来确定受电设备属于哪个功率分级，然后输出相应的功率。

802.3AT标准定义了2种PD，类型1（802.3af），类型2（802.3at）。分级检测由原来的1-Event扩充到2种：1event检测，2-event检测。

分级检测可以是物理层分级检测，也可以是数据链路层分级检测。物理层分级检测发生在PD上电之前，数据链路层分级检测发生在PD上电之后。如果PD在位检测成功，但分级失败，则判为0级。

对于类型1的PSE，可以不分级或1次物理层分级，可以选择是否进行数据链路层分级。

而对于类型2的PSE，则必须支持以下所列分级方式之一：

● 2次物理层分级检测

● 2次物理层分级检测+数据链路层分级检测

● 1次物理层分级检测+数据链路层分级检测

会在第3节重点介绍数据链路分级相关内容。

PSE 1-event物理层分级

PSE如果采用1-event物理层分级检测，则应向PI接口提供电压为Vport，电流上限为Iclass_Lim，周期为Tpdc的信号，并根据PD返回电流值来为PD分级。为避免采样到初始浪涌电流，PD分级电流Iclass应在6ms之后检测。

如果分级结果为4级， 类型1 PSE 应将此PD看为0级；而类型2 PSE则判断这是类型 2 的PD。

如果检测到分级电流Iclass ≧51mA，则类型 1 PSE 应将其看为0级PD，而类型2 PSE未能完成相互识别的，按0级供电。

表2-4 PD分级电流与分级的关系

PSE 2-event物理层分级

2-Event物理层分级检测，相当于发生了2次1-Event物理层分级检测。2次检测中，任意一次分级电流超过IClass_LIM，就认为是4级PD，且返回分级电流值为IClass_LIM。同样的，每次电流采样都要在电压输出6ms之后，以避免采样到初始浪涌电流。

如果第一次为物理层分级检测，检测结果为4级，仅在第二次分级为数据链路层分级检测时才能忽略后续标记。这种情况下，类型 2 PSE 则假定这是类型 2 PD。类型 2 PSE 未能完成相互识别的，按0级供电。

如果第一次检测结果为0，1，2或3，则PSE判断PD为类型1PD，且忽略后续标记及分级事件，并且PD分级为第一次分级检测结果。

PSE分级对应的功率见下表。

表2-5 PSE分级对应功率

PSE分级时的电气特性要求见表2-6

表2-6 PSE分级电气特性要求

在2-Event分级检测中，Vcalss和Vmark分别对应分级电压波形的高点和低点。2-Event分级检测波形见下图所示。

图2-4 2-Event检测的PSE及PD波形

2.3.3 PSE供电

每个端口能提供的最大电流不小于350mA.

上电时，冲击电流不大于450mA。

PD的维持特征信号时间不小于40ms

过载检测电流范围在15400/Vport到400mA之间。

过载时间限制在50ms到75ms之间。

短路电流限制在400mA到450mA之间

短路时间限制在50ms到75ms之间。

上电时间不大于400ms，Vport上电的上升时间不小于15us，关断时间不大于500ms，关断电压小于2.8V

每端口的持续输出功率不小于15.4W

检测PD时间不大于500ms

PD分级时间在10ms到75ms之间。

2.3.4 PSE断电过程

短路或过载的要求

短路或过载电流与时间关系曲线见下图。

短路或过载与时间关系曲线

接口电压与电流及时间的关系图如下：

接口电压与电流及时间的关系图

DC断路检测的要求：

DC断路法根据从PSE流向PD的直流电流大小，判断PD是否在线。当电流在给定时间tMPDO(300ms～400ms)内保持低于阈值(5mA～10mA)时，PSE就认为PD不存在，从而切断电源。

AC断路检测的要求：

交流阻抗要维持在<27K,以避免掉线;

PD至少要保持10mA的电流；

最小电流的持续时间需在75ms-250ms之间，且在300-400ms内（TMPDO）必须出现一次。

2.4 电压隔离度

本条规范对PSE和PD都适用。且适用于10Base-T，100Base-TX及1000Base-T。PD和PSE应与外部导线（包括机架地线），及不属于PD或PSE的MDI引脚 隔离。如果是通过非MDI接口相连，且与MDI没有隔离的，需要与外部导线，包括机架地线，及非MDI接口隔离。

隔离要求如下：

1) 1500V.rms ，频率50Hz或60Hz，持续60秒的耐压测试通过。

2) 2250V dc，持续60秒的耐压测试通过；

3) 10/700us，1500V浪涌，持续10次，每次60秒的浪涌测试通过。

4) 500Vdc条件下，绝缘电阻大于2M欧。

实现电压隔离度要求的一般做法是选择满足隔离度要求的部品及足够的安全间距。

3. LLDP分级

3.1 LLDP简介

目前，网络设备的种类日益繁多且各自的配置错综复杂，为了使不同厂商的设备能够在网络中相互发现并交互各自的系统及配置信息，需要有一个标准的信息交流平台。

LLDP（Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议）就是在这样的背景下产生的，它提供了一种标准的链路层发现方式，可以将本端设备的主要能力、管理地址、设备标识、接口标识等信息组织成不同的TLV（Type/Length/Value，类型/ 长度/ 值），并封装在 LLDPDU （Link Layer Discovery Protocol Data Unit ，链路层发现协议数据单元）中发布给与自己直连的邻居，邻居收到这些信息后将其以标准MIB（Management Information Base ，管理信息库）的形式保存起来，以供网络管理系统查询及判断链路的通信状况。

LLDP协议是在802.1AB标准中定义的，只规定了报文的格式，其他标准都可以利用LLDP实现设备信息之间的互相通告。在802.3AT标准中，POE的数据链路层分级（DLLC）就使用了LLDP中的TLV字段来进行信息的传递。

3.2 LLDP报文

3.2.1 LLDP格式

LLDP是一种二层协议，报文直接封装在以太网帧中

3.2.2 LLDPDU

LLDPDU 就是封装在LLDP 报文数据部分的数据单元。在组成LLDPDU 之前，设备先将本地信息封装成TLV 格式，再由若干个TLV 组合成一个LLDPDU 封装在LLDP 报文的数据部分进行传送。

LLDPDU由必选TLV和可选TLV构成，格式见下图：

3.2.3 TLV

TLV 是组成LLDPDU 的单元，每个TLV 都代表一个信息。LLDP 可以封装的TLV 包括基本 TLV 、802.1 组织定义TLV 、802.3 组织定义TLV 和LLDP-MED（Media Endpoint Discovery，媒体终端发现） TLV。

而与POE供电相关的TLV是一种可选TLV，称为Power Via MDI TLV。该TLV在802.1AB标准中定义的长度为7字节。而在802.3AT-2009中扩展了这个TLV，增加了3个字段，长度扩展到12字节。

1）802.1AB-2009的Power via MDI TLV格式如下：

2） 802.3AT-2009的Power via MDI TLV格式如下：

从以上格式对比中可以看出，802.3at -2009的Power via MDI TLV与802.1ab-2009的Power via MDI TLV相比，多了扩展的3个字段(共5个字节数据)。

3.2.3.1 相同字段定义解析

相同字段的定义如下：

1） TLV type

固定为127

2） TLV informantion string length

TLV长度，802.1AB中为7，802.3AT中为12

3） 802.3 OUI

固定为00 12 0F

4） subtype

固定为2

5） MDI power support

6） PSE power pair

PSE供电线对，在RFC3621中定义如下：

pethPsePortPowerPairs OBJECT-TYPE

SYNTAX INTEGER {

signal(1),

spare(2)

}

交换机此值为2，使用空闲线对供电。

7） power class

端口PD功率等级，在RFC3621中定义如下：

pethPsePortPowerClassifications OBJECT-TYPE

SYNTAX INTEGER {

class0(1),

class1(2),

class2(3),

class3(4),

class4(5)

}

当连接4级PD时，此值为5。

3.2.3.2 扩展字段定义解析

1） Type/source/priority

2） PD requested power value

PD请求功率，0-255

3） PSE allocated power value

PSE分配功率，0-255

3.2.4 PSE与PD LLDP交互时间要求

802.3AT除了对TLV格式有要求，PSE与PD的交互时间也有要求：

1） Type2 PSE在DLLC使能后，应在10秒内发送包含Power via MDI TLV的LLDPDU报文，通告说PSE的DLLC功能已经使能，并置为pse_dll_enabled状态。

2） 所有支持DLLC的Type1 PD，及Type2的PD，在DLLC使能后的5分钟内需置为pd_dll_ready状态，标志PD的DLLC功能已经就绪。

3） 当PSE allocated power value 与 PD requested power value 不一致时，收到对方LLDP报文需要在10秒内应答

3.3 LLDP分级优势

在PSE与PD均支持LLDP分级的情况下，LLDP分级可谓是结合目前POE模式中的自动模式下与节能模式的优点：

1) 与自动模式相比，可以带的端口数多，电源利用率高

由于自动模式下端口功率是按照分级功率来分配的，

对于3级PD分配功率为15.4W，PD的最大功率为13W；

对于4级PD分配功率为30W，PD的最大功率为25.5W。

而有些PD功率恰好稍微超过13W，例如14W，按照硬件分级，必须分在4级，就会造成功率浪费(25.5-14=11.5W)，同时也会造成供电端口数减少。

而使用LLDP功率分级后，PD通过申请功率的调整，理论情况下，可以精确到0.1W，功率浪费的问题可以很好的得到解决。

2) 与节能模式相比供电更稳定

节能模式是按照PD实时功率来分配功率的。但是由于PD的功率是不断变化的，如果多个端口的PD功率同时变大，造成系统总功率超过开关电源能承受的最大功率后，就有可能出现整机掉电的严重问题。

而使用LLDP功率分级，由于在调高功率之前，会有通告请求，PSE判断系统功率足够给PD供电，就会给PD分配足够的功率，而如果判断系统没有足够的功率，就会按照功率管理算法，不给当前PD分配足够功率，或者将低优先级端口下电以释放足够功率。这种交互保证了功率的增加处于PSE可控范围，不会造成整机下电。

4. PSE电路设计的注意事项

4.1明确需求

由于PSE是以太网供电的管理者，业界为了提供竞争力，会提供自己的功率管理方式，因此，项目应该根据自己产品的特点，提出自己的功率管理方式。下面是项目需求的主要考虑点：

（1）需要符合那种标准：802af，802at或者非标；

（2）通讯接口：I2C，串口或者其它接口；

（3）POE供电端口数：

（4）功率策略：功率策略包括管理模式、开关电源连接策略、端口功率分配策略、供电策略、断电策略、优先级策略、POE散热策略、异常情况处理策略、非标PD兼容策略、基于时间的打开和关闭策略、与PoE相关的LED状态指示、电源安全策略等。

4.2 PSE芯片选型约束

由于各个PSE芯片厂家，除了以太网标准的方面是一致的（厂家会声称符合那种标准），一般还有让用户设置的管理功能，各个芯片厂家能提供的管理功能也不尽相同，因此，我们必须按照项目需求的管理策略要求，选择符合我们需求的PSE芯片。芯片选择主要注意下面方面： （1）PSE芯片符合那种标准

（2）PSE芯片通讯接口模式

（3）PSE芯片能提供的最大供电端口数，以及端口扩展的架构方式

（4）PSE芯片支持几种管理模式，以及各管理模式的管理是否满足项目需求

（5）PSE芯片需要的MOS是外置还是内置，检测电阻阻值是否是业界通用

（6）PES厂家的专业性，品牌的口碑；PSE芯片的成熟度和应用情况。

（7）PSE芯片的性价比，包括MOS和检测电阻价格；可以使用多少钱每一端口来评估。

4.3 PSE硬件电路设计

（1）通讯接口的隔离设计：因为PSE电路必须与系统隔离，因此，通讯接口也需要隔离设计，一般使用光耦来隔离或磁耦隔离。

（2）PSE芯片端口与端口，PSE芯片与芯片之间的连接有不同的扩展方式，请按照PSE芯片的规格书说明设计

（3）PSE芯片需要参考电压，因此，必须选择合适的电源方案给PSE芯片供电。同样PSE芯片供电的电压必须满足芯片要求，这个很重要，因为PSE的检测基准是这个参考电压，如果参考电压指标不符合要求，将有可能让PSE误判错判。

（4）根据功率要求选择性价比高的MOS和检测电阻（有些PSE芯片已经集成MOS和检测电阻），这些是发热器件，功率损耗的器件，要尽量减少，并充分考虑散热。

（5）PSE检测通路的滤波， PSE检测功能非常重要，它是PSE设计的关键。因此，我们必须确保PSE芯片准确检测到PD提供的信息，而不是外界的干扰信息，这就要求对外界的干扰信息进行滤波，一般使用0.1uf的陶瓷电容滤波。

5. 故障案例

5.1 隔离设计错误

案例：24口POE+超过9个AP时所有交换机接口都会down

原因：单板的接地设计错误，误把PoE地和机壳PGND短接在了一起;邦讯AP之间通过同轴线和射频线的导电屏蔽层经由金属壳制的功合器、功分器、耦合器连接后，使得多个AP形成共地，等效于多个AP并联；由于以上两点最终导致多个AP共用其中少数几个交换机PoE端口进行供电，当电流之和大于交换机PoE单端口电流限值后，出现了集体掉电故障。

5.2 软件设计错误

案例：客户反馈24口POE 交换机，无法24口满功率运行

原因：由于PD64012的PSE芯片在POE功率管理采用的是自动模式，自动模式下对于某个端口的PD来说，比如：实际功率为10W，系统会保留16W给这个端口，导致系统计算总功率的时候会按照16W来计算。而软件总功率设计值不足。