以太網(wǎng)供電 (PoE) 是一種技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)布線具有雙重功能，既作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施，又作為為遠(yuǎn)程設(shè)備供電的方式。這在安裝簡(jiǎn)單性和互連效率方面提供了許多優(yōu)勢(shì)。PoE 已廣泛應(yīng)用于安全攝像頭、IP 電話、無(wú)線接入點(diǎn)和智能建筑的燈具等應(yīng)用中。然而，標(biāo)準(zhǔn) PoE 也有缺點(diǎn)，這篇博客提出了一些有助于改進(jìn)它的技術(shù)。

傳統(tǒng)的單向以太網(wǎng)供電系統(tǒng)

最初的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.3af，它指定 15.4W 的 48V 發(fā)射到標(biāo)準(zhǔn) CAT-5 雙絞線以太網(wǎng)電纜中。后來(lái)的變體包括可以發(fā)射 30W 的 802.3at. 和可以發(fā)射 60W 或 100W 的 802.3bt。還有一些非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)更高的功率或更長(zhǎng)的距離。

PoE 系統(tǒng)的工作原理是從供電設(shè)備 (PSE) 端點(diǎn)通過(guò) CAT-5 電纜進(jìn)入受電設(shè)備 (PD) 的能量流。這種能量流不會(huì)妨礙通過(guò)完全相同的導(dǎo)體傳輸雙向以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。由于 5 類雙絞線以太網(wǎng)電纜針對(duì)高速數(shù)字信號(hào)而非電力傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，因此電纜中可能存在顯著的 I 2 R 損耗。這些標(biāo)準(zhǔn)允許大約 15% 的從 PSE 發(fā)射的功率在到達(dá) PD 之前在電纜中損耗。PSE 和 PD 上的 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器在 PoE 線路上的大約 48V DC和兩端設(shè)備中使用的內(nèi)部電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

以太網(wǎng)雙向供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

請(qǐng)注意，標(biāo)準(zhǔn) PoE 中的能量流是單向的，總是從 PSE 流向 PD。這限制了 PoE 的適用性，并且如果 PSE 和 PD 需要交換角色，則還可能需要在每個(gè)方向上使用冗余 PoE 鏈路。我們可能希望在這些線路上雙向流動(dòng)的原因有幾個(gè)。一種情況涉及分布式能源系統(tǒng)。遠(yuǎn)程端點(diǎn)可能有內(nèi)部電池，或者可能與它們自己的能源相關(guān)聯(lián)。一個(gè)典型的例子是帶有集成光伏陣列和電池的路燈。在延長(zhǎng)的黑暗時(shí)段，網(wǎng)絡(luò)通過(guò) PoE 供電以保持燈亮并為燈具電池充電。但是，當(dāng)陽(yáng)光明媚且內(nèi)部電池充滿電時(shí)，每個(gè)路燈上的光伏 (PV) 陣列產(chǎn)生的瓦特可以反向驅(qū)動(dòng) PoE，并幫助為智能高速公路網(wǎng)絡(luò)中更深處的路由器、紅綠燈和其他負(fù)載供電，或者將多余的能量賣回電網(wǎng)。雙向 PoE 的另一個(gè)原因是容錯(cuò)。在關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，路由器和邊緣計(jì)算機(jī)通常以雙工對(duì)運(yùn)行。這些設(shè)備的主要故障模式是它們的本地能源或線路供電。如果雙向 PoE 端口互連兩個(gè)冗余路由器，如果運(yùn)行任一路由器的 AC 電網(wǎng)連接或電源模塊發(fā)生故障，則雙向 PoE 可以從其伙伴那里借用一些能量，通過(guò) PoE 以適當(dāng)?shù)姆较騻鬏?，并運(yùn)行發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)，直到可以修復(fù)為止。雙向 PoE 的第三種可能用例是菊花鏈?zhǔn)轿锫?lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)線性陣列，其中電力被饋送到兩端，鏈上每個(gè)設(shè)備上的兩個(gè)以太網(wǎng)端口中的每一個(gè)都可以提供或吸收電力。最后，還有類似于現(xiàn)代筆記本電腦上 USB-C 端口的潛在用途，有時(shí)端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載，有時(shí)接受充電器電纜。許多潛在的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序可以使用這些雙向功能。

那么，單個(gè)端點(diǎn)如何同時(shí)充當(dāng) PSE 和 PD？訣竅是使每一端的電源轉(zhuǎn)換器成為兩個(gè)象限。在傳統(tǒng) PoE 中，電源轉(zhuǎn)換器只能輸入特定電壓（例如 380V DC直接來(lái)自交流輸入上的功率因數(shù)校正電路），并將其批量轉(zhuǎn)換為 48V（通常設(shè)置得更高一些，如 54V），用于驅(qū)動(dòng) PoE 電源插入器變壓器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電纜。在 PD 處，通常還有另一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它從 PoE 電纜獲取 48V 并產(chǎn)生 PD 電路使用的中間總線電壓（通常為 12V 或 3.3V）。這些單象限電源不可能逆轉(zhuǎn)它們的能量流。在雙向 PoE 中，兩端的電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為雙象限操作，因此在收到指令時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路可以從任一端口接收能量，執(zhí)行適當(dāng)?shù)碾妷恨D(zhuǎn)換，并將能量傳送到相反的端口。在當(dāng)今的交換機(jī)和路由器等多輸出 PoE 設(shè)備中，對(duì)于所有 PoE 端口，通常有一個(gè)大容量轉(zhuǎn)換器。要將其轉(zhuǎn)換為雙向運(yùn)行，每條 PoE 線路都必須有一個(gè)單獨(dú)的專用二象限電源轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橛性淳€路的一個(gè)子集將作為 PSE 運(yùn)行，而其余線路將作為 PD 運(yùn)行。

控制這些電源轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行可能很棘手。該系統(tǒng)必須監(jiān)控所有電源轉(zhuǎn)換器兩個(gè)端口上的電壓和電流，并指示每條線路兩端的轉(zhuǎn)換器如何對(duì)其轉(zhuǎn)換方向、開(kāi)關(guān)頻率、波形等進(jìn)行編程。在具有容量限制的設(shè)備中——例如中央 PoE 路由器上的主電源，可能有數(shù)百個(gè)端口——控制算法必須確保進(jìn)出所有端口的總能量保持在這些限制范圍內(nèi)。控制系統(tǒng)還必須在 PoE 線路切換方向時(shí)非常小心和精確同步，以避免瞬變，例如，如果電纜的兩端同時(shí)被編程為高功率 PSE，則可能發(fā)生瞬變。

美國(guó)專利 9,531,551 詳細(xì)介紹了雙向 PoE 的工作原理、所需的兩象限電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，以及它所依賴的復(fù)雜控制系統(tǒng)。使用此方案，可以實(shí)現(xiàn)許多高級(jí)配電架構(gòu)，這將增強(qiáng)基于 PoE 的網(wǎng)絡(luò)的通用性、效率和可靠性。

CHARLES C. BYERS 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的副首席技術(shù)官，現(xiàn)在加入了 OpenFog。他致力于邊緣霧計(jì)算系統(tǒng)、通用平臺(tái)、媒體處理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和實(shí)施。此前，他是思科的首席工程師和平臺(tái)架構(gòu)師，以及阿爾卡特朗訊的貝爾實(shí)驗(yàn)室研究員。在電信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的三十年中，他在語(yǔ)音交換、寬帶接入、融合網(wǎng)絡(luò)、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺(tái)、邊緣霧計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。他還是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者，包括擔(dān)任工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和 OpenFog 聯(lián)盟的首席技術(shù)官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獲得電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位以及電氣工程碩士學(xué)位。在業(yè)余時(shí)間，他喜歡旅行、烹飪、騎自行車和在他的工作室里修修補(bǔ)補(bǔ)。他擁有 80 多項(xiàng)美國(guó)專利。

審核編輯黃宇