乙太網路供電簡介

在單一條 Cat3 或 Cat5 纜線上結合供電和通訊，比起採用個別系統的設備，工程師能以低廉的成本，快速打造出低維護率的乙太網路。不意外的是，這項技術已根據電機電子工程師學會 (IEEE) 的標準，迅速獲得採納並正式確立。此技術稱為「乙太網路供電」(PoE)，其主要優勢在於簡易性，而且只要有數據插槽，就可以隨時供電。

本文將介紹 PoE 和更高功率的 PoE+，也將概述相關標準，說明組成元件、受電裝置、供電設備、「中跨」和「端跨」乙太網路交換器和分歧器，並以一個簡易系統進行說明。

PoE 初期樣貌

PoE 最初問世是為了解決網際網路語音傳輸協定 (VoIP) 電話的供電問題。傳統電話可直接從傳輸語音通話的銅線供電。然而，越來越受歡迎的 VoIP 電話，並未連接到傳統電路，而是透過公司區域網路 (LAN) 的乙太網路纜線來撥打電話。乙太網路纜線不傳輸電力，因此 VoIP 電話必須透過配接器插入主電源中。這種解決方案不夠完善，因為大樓一旦停電，電話就跟著中斷。

電信設備廠商 Cisco 於 2000 年引進自行研發的技術，讓乙太網路纜線攜帶 48 V _DC 為 VoIP 電話供電，成為率先模仿傳統電話系統的公司 (圖 1)。但 PoE 真正獲得成長動能，是在 2001 與 2002 年時其他製造商 (尤其是無線存取點製造商) 採用這項技術開始。

圖 1：採用 PoE 的 Cisco VoIP 電話 (資料來源：Cisco)。

這項技術最終引起 IEEE 的關注，而 IEEE 早在 1983 年就負責制定「乙太網路標準」(IEEE 802.3)。該組織認為建立標準版本的 PoE 至關重要，如此一來，任何製造商都能讓自家產品達到「PoE 就緒」狀態。這項工作委由 IEEE 802.3 乙太網路委員會的一個工作小組委員會處理，並命名為「802.3af」。到 2003 年 6 月，工作小組委員會批准了 IEEE 802.3af PoE 標準。2009 年，第二個標準 IEEE 802.3at 也獲得批准，界定一項可處理更高功率的類似技術。

標準界定了什麼？

IEEE 802.3af 詳細說明一種 PoE 技術，可針對每個裝置提供最多 15.4 W 的 DC 電力 (最低 44 V_DC 和 350 mA)。(礙於纜線的損耗，只可保證為受電設備提供 12.95 W 的電力。)

此技術使用一個標準的 RJ45 連接器和 Cat5 (或甚至 Cat3) 纜線，可以處理幾十瓦的電量。安裝乙太網路進行通訊後，還可以供電，節省材料、人力、安裝時間和後續的維護成本。

由於典型 10 至 100 Mbps 實體層只需要 Cat5 佈線四對中的兩對，所以可在乙太網路纜線未使用的導線上傳輸電力 (此技術在 IEEE 標準中稱為「替代方案 B」)。只要對每一對佈線施加共模電壓，亦可在纜線的數據導線上傳輸電力。由於乙太網路使用差動訊號傳輸，所以不會干擾纜線的數據傳輸 (在標準中稱為「替代方案 A」)。

IEEE 802.3af 界定兩種類型的 PoE 裝置，即供電設備 (PSE) 和受電裝置 (PD)。PSE 從本身的常規電源取得電力，然後會對透過乙太網路纜線網路傳送到 PD 的電力進行管理；PD 透過 RJ45 連接器取得所需的電力，無需內建電源供應器。PoE 能透過最長 100 公尺的典型乙太網路纜線供電給 PD。PD 包括原始的 VoIP 電話和無線存取點、保全攝影機、銷售點 (PoS) 終端機、溫度控制系統，甚至是機上娛樂系統等等。

除了將現有的備用對和共模數據對電力傳輸實務做法進行標準化之外，IEEE PoE 標準也針對 PSE 和 PD 之間的訊號傳輸提供規定。此訊號傳輸能讓 PSE 偵測合規裝置，以免連接到網路的非 PoE 裝置受損。PSE 和 PD 會針對需求或可用的電力量進行「交涉」。為了偵測 PD，PSE 會在導線上施加 2.8 至 10 V 的 DC 電壓。然後 PSE 會測量迴路電流，以判定是否已連接 PD。PD 搭配 120 nF (或更小) 的並聯電容時，從特徵上來看，應呈現 19 至 27 KΩ 的電阻性負載。

圖 2 顯示 PSE 供電給 PD 的線路圖。

圖 2：典型的 PoE 應用 (資料來源：Texas Instruments)。

標準的增強

儘管 PoE 可供應大約 13 W 給 PD，但某些裝置可以從更大的功率中獲益，例如具有平移、傾斜和縮放 (PTZ) 功能的相機。為了滿足這些產品的需要，2009 年推出第二個標準 IEEE 802.3at。此技術亦稱為「PoE+」，可供應最高 25.5 W 的 DC 電力給 PD。PSE 提供 50 至 57 V_DC，相比之下，PoE 只能提供 44 至 57 V_DC。與早期技術的 350 mA 相比，PoE+ 的電流增加至 600 mA。

PoE+ 僅使用 Cat5 纜線 (內部有 8 根電線，而 Cat3 則是 4 根電線)，可降低潛在阻抗的機會，並降低功耗。此外，PoE+ 可讓網路管理員享有更多功能，例如提供新的遠端電源診斷功能、狀態報告和 PD 電源管理 (包括嵌入式裝置的遠端電源循環)。

最後，PoE+ 提供動態功率分配、最佳化配電，以及良好的電源利用率，進而提高系統效率並降低成本。

表 1 比較 PoE (IEEE 802.3af) 和 PoE+ (IEEE 802.3at)。

表 1：PoE 和 PoE+ 的比較。

端跨和中跨

PSE 可實作為端跨 (支援 PoE 的乙太網路交換器)，也可實作為中跨 (與網路上既有的非受電乙太網路交換器一起使用的電力集線器)。PD 從端跨或是中跨接收電力的效果都一樣好。

端跨會直接對裝置供電。根據規格，端跨可使用纜線中的備用對或數據對，且這些線對也可用於 Gigabit 乙太網路傳輸。端跨需要使用支援 PoE 的交換器，因此傾向指定用於需要全新設備的新安裝作業。

中跨使用中介供電的插線板 (即「供電器」)，放置在現有乙太網路交換器和 PD 之間。中跨通常位於交換器附近，因此視為 PSE，能讓纜線不受阻礙地佈線到遠端裝置。此規格允許中跨僅使用纜線中的備用對；因此，不能使用 Gigabit 乙太網路連接等數據線來傳送電力。

市面上有許多現成的中跨供電器，可納入到傳統的乙太網路中。Laird Technologies 針對此應用提供 POE-48I 電源供應器。此電源供應器的輸入端具有自動調整範圍功能，並且具有穩壓輸出。此裝置能夠配合任何符合 IEEE 802.3af 標準的設備使用。POE-48I 僅有單埠，可在 500 mA 下提供 48 V 的電壓，功率最高可達 24 W。

Microsemi Analog Mixed Signal Group 提供一款單埠中跨供電器 PowerDsine 9001GR，符合更高功率的 IEEE 802.3at 標準。9001GR 可在 55 V 下產生高達 30 W，可針對包括 PTZ 攝影機和視訊電話在內的一系列新應用提供遠端電源。此裝置可向下相容於 IEEE 802.3af，並可供電給現有的 10/100Base-T 網路裝置和新興的無線 1000Base-T 裝置 (如 WiMAX 和 IEEE 802.11n 無線存取點)。圖 3 顯示典型應用。

圖 3：PowerDsine 9001GR 中跨乙太網路交換器的應用範例。

此外也提供多款多埠中跨。Phihong 提供 8、16 和 24 埠中跨。POE370U 是符合 IEEE802.3af 的 24 埠中跨供電器。每個埠可供應 15.4 W，無需額外進行電源管理。此設備提偵測、中斷連線和過載保護，且出貨時可隨附 1 U 機架安裝套件。

此外，中跨供應商還可以提供「分歧器」。分歧器使用 PoE 輸入，PoE 輸入分為兩個輸出，即數據和電源。電力可以用更傳統的方法 (如 DC 纜線) 重新導向到終端裝置內。分歧器可當作合規 PSE 和不合規 PD 之間的中介裝置。

Laird Technology 提供 POE-12S-AFI 有功 PoE 分歧器，能接受來自任何 IEEE 802.3af 路由器或電源供應器的 PoE 電力。此裝置包含過載和短路保護功能，偵測到短路時，會立即關閉電源，不會對 PoE 系統造成任何損害。

挑選端跨或中跨 PoE 網路

端跨的實作費用較高，且僅能搭配 IEEE 標準定義的 PD 運作，但選擇此技術有幾個很好的理由。例如，在更換所有舊款交換器或進行新安裝時，工程師傾向選擇端跨交換器。

使用端跨的另一個原因在於，將傳統乙太網路交換器連接到中跨 PoE 集線器時，可避免雜亂不便的額外跳接線，以及涉及的額外工作。此外，兩台裝置 (而非一台) 會讓潛在的故障點加倍，並導致公司管理人員的工作更加複雜，因為有些公司堅持網路上的每台設備都要使用個別的 IP 位址。

如果工程師選擇端跨交換器，則應該注意，許多端跨裝置最多只能提供 200 W，因此 24 埠交換器每個埠最多只能提供 8.3 W，低於 PoE 標準規定的 15.4 W 最大功率。

如果工程師已經備有相對較新的乙太網路交換器，則更青睞中跨交換器，因為若單純為了獲得 PoE 功能而更換交換器，成本會很高。不過，工程師必須確保交換器製造商樂意讓網路支援中跨產品，並確保有足夠的空間可容納。

從電氣的角度來看，如果網路工程師想針對特定的 PD 使用 24、12 和 5 V 等非標準電壓，並且很希望每個埠的可用功率可達到最大，則偏好使用中跨交換器。有些網路包含許多具有自身電源的傳統裝置和 PoE 裝置，對這種網路來說，中跨交換器也是很實用的選擇。

中跨交換器的保固期 (兩年)，通常比端跨交換器的保固期 (一年) 長，並且都能搭配標準應用及自行研發式應用運作。

圖 4 顯示使用端跨和中跨交換器構建的網路。

圖 4：使用端跨和中跨交換器的網路示意圖。

以往，PSE 內建離散電路，並分為電源供應器與乙太網路之間的通訊介面，以及電源供應器本身。不過，為了讓實作更加容易，矽廠商推出一系列整合式 PSE 控制器，能讓 PoE+ 設備的運作達到最佳化。

這些控制器不僅降低實作的複雜性，更減少 PoE 和 PoE+ 設備所需的外部元件數量，這是因為將介面電路與線性穩壓器或切換式電源供應器互相結合，可將電源電壓，轉換為適用於乙太網路纜線的 50 至 57 V_DC。(若要進一步瞭解這些元件，請參閱 TechZone 的文章《調整乙太網路供電以滿足更高需求》。)

接下來是什麼？- IEEE 802.3bt

總結來說，PoE 自本世紀初發展以來，已成為熱門的技術，特別是在商業和工業應用中。此技術實作起來相對簡單，對新設備而言更是如此。此外，中跨交換器的引進，也減輕在傳統網路中新增 PoE 的障礙。PoE+ (IEEE 802.3at) 的推出增加 PD 的可用功率，因此可進一步推出新型應用 (以往因過於耗電而無法以舊技術運作)。

自 2009 年 IEEE 802.3at 批准以來，工程師渴望新增功率需求更大的新型 PD，因此 PoE 技術不斷發展。為了補充 IEEE 802.3at，市面上推出許多自行研發的 PoE 協定，能提供高達 60 W 至 95 W 的功率，名稱各有不同，例如：

• UPoE (Cisco)
• LTPoE (Linear Tech/Analog Devices)
• PoH (MicroSemi/Microchip)
• PoE++ (工業)
• 4PPoE (工業)

請注意，這些技術不符合現行標準，也不具互通性，這可能會對不相容的硬體有害。然而，這些技術確實對研擬更高功率版本的標準奠定了基礎。

在 2018 年底，新版 IEEE 802.3bt PoE 標準獲得核准，可供應 71.3 W 的功率給 PD，同時從 PSE 端傳送 90 W。

表 2 概述所有標準下的 PSE 電力傳送能力，以及 PD 電力接收能力：

表 2：所有標準下的 PoE 供電能力 (資料來源：Microchip)

附註 1：如果纜線長度為 2 至 5 公尺，PD 輸入的供電能力可擴充到 60 W 和 90 W。

除了能透過乙太網路供電纜線傳輸更多電力外，新版 PoE IEEE 802.3bt 標準比起之前的 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 標準，定義更多其他新特點／改進之處，包括：

• 支援兩種 PD 結構：單特徵 PD 和雙特徵 PD
• 透過四對乙太網路纜線運作
• 自動分類功能
• 已知纜線長度下更強的供電能力
• 支援低待機功率 (短 MPS)
• 支援 2.5G-BaseT、5G-BaseT、10G-BaseT
• 向下相容 IEEE 802.3at/af

若要進一步瞭解新版 IEEE 802.3bt 標準，請前往 AE 乙太網路聯盟網站。