POE级联设计

POE级联设计

曾晓福     程 昊     赵 岩

中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都610041

摘要：POE即以太网供电技术，是一种通过以太网线缆同时传输数据和电力的技术。它允许网络设备（如IP电话、无线接入点、网络摄像头等）通过以太网线缆接收电力，而无需单独的电源线。POE技术的出现为网络设备的部署和管理带来了便利，同时也降低了成本和复杂性。在POE设计中，需要考虑电力传输的效率、安全性和可靠性等因素。

关键词：级联；设计；电路

0引言

随着电子信息技术的发展，使用网络设备越来越多，越来越频繁，使用电子设备就离不开电源。使用网络设备时，经常遇到获取电源的难题，POE技术和标准的诞生，就为网络设备解决电源布线的难题而生。

1概述

1.1概述

定义：POE全称Power Over Ethernet，是指10BASE-1、100BASE-TX、1000BASE-T以太网络供电，即数据线和电源线在同一根网线上传输，其可靠供电的距离最长为100米左右。

POE供电包含两种设备PSE和PD，PSE（Power-sourcing Equipment）主要是用来给其它设备进行供电的设备，PD（Power Device ）在POE系统中用来接受电的设备。

应用领域：网络摄像机、网络电话、无线接入点、视频监控，等小功率网络产品。

应用POE优点：现有的以太网Cat.5布线基础架构不做任何改动的情况下，为终端提供直流供电的技术，最大限度地降低安装成本；结合UPS提高可靠性；方便统一管理；相对安全可靠。

应用POE缺点：增加电路板级复杂度；增加板级硬件成本。

下面一起来了解一下PD和PSE设计。

1.2 PSE和PD特性参数

PSE电压在44 ～ 57V之间，典型值为48V。

PSE和PD允许功率如下（见表1）。30W对应的典型工作电流为10 ～ 530mA，超载检测电流为540 ～ 600mA。不同的PSE芯片对应不同的RCLS(Ω)电阻。

表 1  POE等级

1.3 POE供电工作过程

在分级阶段，PSE将向PD施加15 ～ 20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定（UVLO）电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。一旦分级完成后，PSE将会向PD提供全额工作电压。

当在在一个网络中布置PSE供电端设备时，POE以太网供电工作过程如下：

（1）检测：首先PSE会发送一个测试电压给在网设备以探测受电设备中的一个24.9kΩ共模电阻。测试信号开始为2.5V，然后提升到10V，这主要是补偿Cat-5电缆自身阻抗带来的损失。因为这种电缆最长可达100m左右。如果PSE检测到来自PD的适当阻抗特征（24.9kΩ）,它便会继续提升电压。如果检测不到特种阻抗，PSE将不会为电缆加电。

（2）PD端设备分类：当检测到受电端设备PD之后，PSE将向PD施加15 ～ 20V的电压，并通过测量电流大小来确定PD的特定级别。如果除了探测到第一级的电阻外没有发现其它分级电路，该设备被定义成零级别。在此阶段，PD的电源部分将被欠压锁定（UVLO）电路维持在无源状态，以便隔离开关级，直至特征和分级阶段完成。

（3）开始供电：分级完成后，在一个可配置时间（一般小于15μS）的启动期内，PSE设备开始从低电压向PD设备

①供电，直至提供48V的直流电源。

②供电：为PD设备提供稳定可靠48V的直流电，IEEE802.3at满足PD设备不超过30W的功率消耗。

③断电：若PD设备从网络上断开时，PSE就会快速地（一般在300～400ms之内）停止为PD设备供电，并重复检测线缆的终端是否连接PD设备。

1.4 POE系统框图

100Mbps POE级联系统框图见图1，1000Mbps POE级联系统框图见图2，输入电压取自于网络端口的48V电源，输入电压经过两个整流桥BR1、BR2进行极性校正，其中D1是一个瞬态抑制二极管用来保护输入过压。

图 1  100Mbps POE级联系统框图

图 2 1000Mbps POE级联系统框图

POE电源模块的电路拓扑结构采用具有同步 No-Opto 反激式控制的变换器实现，运用变压器原边反馈稳压以及副边同步整流技术。输入电压范围在36～57V之间，输出电压稳定在12V或其它值。由于整流后脉动电压较大，所以会在整流后添加输出滤波电容，输出滤波电容一般会选择几个大电容再加一个小电容并联，大电容起到储能和滤波的作用，小电容用来高频去耦，几个电容并联可以将输出阻抗降到最小。反激变压器选择开关管实现有源整流，利用变压器副边绕组来获得驱动电压，驱动开关管，实现同步整流技术。开关管的漏极和源极并联RCD吸收电路，用来抑制开关管漏源端的电压尖峰而达到保护开关管的目的。虽然说MOSFET的是压控型的开关管，但是对于开关管导通和关闭都是给开关管的寄生电容充电来打开或关闭，这就需要一定的驱动电流。

1.5 标准POE电源

市面上有些POE电源往往只是把48V电压加到RJ45座子上，在上电的时候并没有检测、分级的阶段，这对于受电设备来说是危险的。检测电源是POE电源还是非POE电源的一般方法是，拿万用表测量供电脚，一般是网络端口的4,5、7,8脚或1,2、3,6脚，如果端口输出是稳定的48V电压，这说明电源是非POE电源；如果测量的电压在2～10V跳动，则说明电源是POE电源，电压跳动是在对PD端进行检测。

1.6 应用中可能存在的问题

供电限制：POE技术受到供电设备功率输出的限制。一些高功率设备可能无法通过标准的POE供电获得足够的电流，可能需要单独的电源适配器。

线缆质量：POE依赖以太网线缆传输电力和数据。低质量或损坏的线缆可能会导致电力传输问题，增加电阻和压降，影响设备性能。

散热问题：对于一些高功率的POE设备如果设备长时间使用或在高温环境中运行，可能会出现散热问题，导致设备过热。

互操作性：尽管POE是一种标准化的技术，但不同厂商的设备可能存在互操作性问题。在部署POE系统时，确保所有设备都兼容相同的POE标准非常重要。

安全问题：POE系统涉及电力传输，存在一定的安全风险。例如，在安装和维护过程中要注意防止触电，并确保正确接地。

1.7 级联PSE设计注意事项

级联自定义：串联、并联、串并联等为级联。

电源管理：设计有效的电源管理电路，以控制PSE的供电输出。包括过流保护、过压保护、短路保护等功能，以确保受电设备得到安全可靠的供电。上述PD框图部分有3个地： GND_48V网线上的地，GNP_PD电源地，GND系统地。PSE使用的是GNP_PD，如果使用GND_48V PSE是没有输出的。POE供电电压比较高，注意电容耐压。

以太网信号完整性：POE信号通过以太网线缆传输，因此需要注意保证以太网信号的完整性。设计中应考虑线缆损耗、串扰、回波损耗等因素，以确保POE网线的信号质量。

系统测试验证：进行充分的系统测试验证，包括功能测试、电气特性测试、兼容性测试等。确保PSE设计符合预期，并能够与各种PD设备正常工作。

2公司内POE使用情况

PD和PSE使用模块设计。

表 2  PD使用情况

表 3  PSE使用情况

POE电源模块：CMQ7800DPT120IEEE802.3af/AT

输入：40 ~ 57V

输出：100mVPP 效率 82% (输入 48V, 负载12V@1.1A、13W)

图 3  PD模块1

MQ7801T050

输入：36 ~ 58V

输出：100mVPP效率84% (输入48V,负载12V@1.1A、13W)

图 4  PD模块2

MQH7803  IEEE802.3AT

输入：42 ~ 57V

输出：100mVPP 效率 89% (输入48V, 负载12V@2.5A、30W, DP)

图 5  PD模块3

3国内POE情况

杭州芯昇电子（www.chipup.com）2006年成立，PSE芯片XS2180、XS2184，PD芯片XS2101D和XS2100S。PSE唯一百万级出货验证，PD千万级出货。兼容IEEE802.3af/at标 准，XS2180高达70W功率。

杭州杰华特/士兰微（www.joulwatt.com）2013年成立。PD芯片JWH7241兼容IEEE802.3af。PSE芯片JWH7290、JW7291、JW7294、JW7295兼容IEEE802.3af/at标准。

合肥睿普康集成电路有限公司（www.rpcom-micro.com）。PD芯片RPC304A QFN48。

深圳茂睿芯MERAKI（www.meraki-ic.com

）2017年成立。PSE芯片MK3614 IEEE802.3af/at标准。

上海贝岭POE DC/DC芯片BLL2681、BLL2682、BLL2683。

国产PD竞争力比较足，PSE比较弱。

4 POE具体电路设计

设计POE时需明确需要的功率等级，才能确定POE芯片。结合我们公司情况，POE级联设计有一定的实用性，如在原有的系统中串联一设备，就会用到级联设计。级联设计的方法多样，如：可以使用低压升压到54V加PSE芯片的方式，下面的设计方法是不使用升压方式实现，直接使用POE交换机的PSE电源。

4.1 POE PD隔离型电路

图 6 隔离型PD

4.2 POE PD非隔离型电路

图 7 非隔离型PD

4.3 POE PSE电路

图 8  PSD电路

如图8，参考上述框图和电路，结合自己的需求就可设计满足需求的国产POE电路。

5结束语

我们探讨了POE技术的原理、设计挑战以及国产解决方案。然而，POE技术仍面临一些未来的研究方向，如兼容性增强，能效优化和适应不同应用场景的灵活性。我们期待这些领域的进一步探索能推动POE技术的发展，为智能设备的部署提供更为便捷的解决方案。时代在发展，技术在进步。POE技术也在更新中，符合时代的技术和应用才能被采纳和应用。我们相信，随着技术的进步，POE将在未来的网络基础设施中发挥更大的作用。

参考文献

[1]周润景.Cadence高速电路板设计与仿真(第3版).北京：电子工业出版社，2009.7.

[2]威廉斯.电路设计技术与技巧（第二版）. 北京：电子工业出版社.2006.5

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