進(jìn)入了二十一世紀(jì)之后，以太網(wǎng)進(jìn)入家庭早已成為事實(shí)。家家戶戶上網(wǎng)，無論是透過電話線的ADSL/VDSL還是電纜線，連接到電腦都要仰賴以太網(wǎng)的接線。再進(jìn)一步深層地探索數(shù)字家電領(lǐng)域的高畫質(zhì)電視機(jī)、AV擴(kuò)大機(jī)、家庭電玩游戲機(jī)、甚至未來的下一世代光碟機(jī)，都已經(jīng)布下以太網(wǎng)的天羅地網(wǎng)。且從網(wǎng)線上提供電源的方式，受到業(yè)界與消費(fèi)者的超級(jí)喜愛，USB 2.0的成功不就是擺在眼前的事實(shí)嗎？
話說以太網(wǎng)(Ethernet)的誕生是為軍事用途而來，最后卻蛻變成全球資訊高速公路網(wǎng)的基礎(chǔ)，這是任何一個(gè)人都事先料想不到的事情。終究，聰明的工程人員，也開始動(dòng)腦筋到以太網(wǎng)的連接線上，在同一條連接線中同樣也可以將電力與數(shù)據(jù)送出，這種給電的技術(shù)，就是PoE(Power Over Ethernet)的精髓。實(shí)際上，在2003年6月12日PoE也正式成為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，也就是IEEE 802.3af。
具備48伏電力 適用更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
若是拿USB 2.0接口與PoE的供電能力來相互比較的話，PoE最高48伏特的25.4瓦[4pair可達(dá)60W,POH可達(dá)100W]是遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝出USB的2.5瓦(5伏特，500mA)。因此，比如IP電話機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、
網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或
無線路由器等，皆是非常適合運(yùn)用POE技術(shù)的標(biāo)的產(chǎn)品。安全送電而且不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的通信產(chǎn)生不良的影響是最起碼的基本要求。
曾經(jīng)有媒體在年度「網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)」這個(gè)項(xiàng)目用以下的文字描述。「電源線的消失-以太網(wǎng)供電技術(shù)(Power over Ethernet，PoE)將開始使用，
無線AP、語音IP電話等設(shè)備都可以通過以太網(wǎng)線連接及供電，將引發(fā)電工業(yè)大罷工！」在用詞上盡管帶著語不驚人死不休的味道，不過至少可以體會(huì)出PoE供電技術(shù)真正受到重視。
那么，該如何來定義PoE呢？嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法是使用者可根據(jù)IEEE802.3af/at利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)纜線(CAT-5，Ethernet Cable)來傳送電源。意思就是使用同一條CAT-5連接線來傳送數(shù)據(jù)以及直流電源(DC Power)。
所以說，PoE技術(shù)就是針對(duì)具有10Mbps～1Gbps傳輸能力的CAT5對(duì)絞線，賦予電力供給功能的一門技術(shù)。有802.3af/at規(guī)范的約束，促使新的元件與裝置能夠逐漸登場(chǎng)，并可以完全確保相互兼容性以及與既有的以太網(wǎng)機(jī)器保證有互換性。
USB的使用經(jīng)驗(yàn)告訴消費(fèi)者毋需外接AC電源配接器，讓使用者在使用電子產(chǎn)品時(shí)便利性大增。今日隨身U盤與外接小型硬盤的風(fēng)行，主要的推手與原因就在這里，與網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)的IP電話機(jī)就是馬上可以聯(lián)想到的應(yīng)用。
依據(jù)IEEE 802.3af/at，能夠給電的最長距離可以達(dá)100米之遠(yuǎn)，完全可以不受限于AC電源的設(shè)置場(chǎng)所，Web照相機(jī)、遠(yuǎn)端感應(yīng)的行動(dòng)探測(cè)器等用途，是絕佳的魅力點(diǎn)。
因此，PoE技術(shù)帶來的好處可以摘錄如下：
由于安裝網(wǎng)絡(luò)的電線數(shù)量的減少，讓系統(tǒng)的構(gòu)成更為簡單。
同樣的理由，PoE可協(xié)助將成本降至最低，縮短停機(jī)時(shí)間、簡化維護(hù)作業(yè)及提升安裝彈性。
可以納入遠(yuǎn)端電源監(jiān)控的功能。
不需要電源適配器(Adaptor)，就不用在乎市電110V、220V的任何環(huán)境，都可通用。
PoE減少布線施工成本
假設(shè)存取點(diǎn)裝置(Access Point)支持PoE (Power over Ethernet)功能，電源可由支持PoE的
以太網(wǎng)交換機(jī)來提供使用，因此，只需布網(wǎng)絡(luò)線，而不需另外連接電源線，這樣的作法可以減少布線的施工成本，并且整體的觀感上也會(huì)更為簡潔清爽。另外，如果在存取點(diǎn)裝置(Access Point)臨時(shí)發(fā)生了當(dāng)機(jī)的情況，也可以透過PoE的電源讓存取點(diǎn)裝置(Access Point)重新開機(jī)。
介紹PoE的三大特性
業(yè)界里的人都知道，當(dāng)初網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)與應(yīng)用，并沒有PoE這個(gè)東西。電力與數(shù)據(jù)的載送存在同一個(gè)媒介上，在市面最為普遍的也僅有USB以及1394接口罷了。因此，PoE可以說是晚進(jìn)之輩。但它卻具有三大特性。
特性一，它是使用于以太網(wǎng)的型態(tài)。無論是電力供給還是數(shù)據(jù)傳送，均是采用了相同的架構(gòu)。
特性二，由于最長距離規(guī)范為100米的長度，為了應(yīng)對(duì)長距離下的電力損失課題而采用了高電壓的策略。IEEE 802.3af規(guī)格里頭的技術(shù)細(xì)節(jié)，就是要確保安全高電壓送電的實(shí)現(xiàn)。而無敵接口王USB的長度不過5米。
特性三，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，毋需電源的既有裝置與需要電源的新裝置可以和平共存的。因此檢測(cè)手段、電力載送的控制與管理手法等，也都是IEEE 802.3af在標(biāo)準(zhǔn)化過程中所討論的議題。
PoE供電裝置分為端點(diǎn)型及中跨型
先來探索一個(gè)最為基本的問題。既有的以太網(wǎng)傳送以及PoE電力傳送技術(shù)的差異點(diǎn)究竟在何處？
眾所皆知，以太網(wǎng)透過了Hub或Switch裝置，建構(gòu)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型的網(wǎng)絡(luò)。提供電力的PoE依然也是維持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接型態(tài)。不同之處在于PoE技術(shù)的電力傳送乃是單方向。換言之，就會(huì)存在有「給電端」以及「受電端」兩個(gè)種類的裝置存在。
「供電裝置」或可名為「供電設(shè)備」，就稱之為PSE(Power Sourcing Equipment)，受電設(shè)備或用電裝置則以PD(Powered Device)來稱呼。一個(gè)PSE可以供電給一個(gè)或多個(gè)受電設(shè)備PD。
典型的PSE裝置可以有路由器 (Router)、
交換機(jī)(Switch )和集線器 (Hub)等。
而馬上可以聯(lián)想的到的PD裝置則可能有網(wǎng)絡(luò)電話(VoIP Phone)、無線AP(WLAN Access Point)、安防系統(tǒng)(Security System)，銷售點(diǎn)終端裝置(POS Terminal)、網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)(Network Camera)等。
而供電設(shè)備又可以細(xì)分成端點(diǎn)型(Endpoint)以及中跨型(Mid-Span)。前者比如是具有電源供給能力的網(wǎng)絡(luò)Hub或Switch，可以完全取代掉既有的Hub或Switch，而后者則是指在既有的網(wǎng)絡(luò)中提供電力附加功能的設(shè)備。
眾所皆知，以太網(wǎng)的傳送一般是采用Cat5的線材，其中有四對(duì)的對(duì)絞線，兩端都安裝了RJ-45的連接頭。熟知的10Base-T以及100Base-TX規(guī)格，都僅僅使用其中的兩對(duì)信號(hào)線(1-2，3-6)，尚且留兩對(duì)線沒有使用。通常稱為「預(yù)備用」對(duì)線(4-5，7-8)。
端點(diǎn)型(Endpoint)以及中跨型(Mid-Span)供電設(shè)備用的信號(hào)線略有差異。端點(diǎn)型(Endpoint)的場(chǎng)合，可以透過信號(hào)對(duì)線(Signal Pair)或者是預(yù)備對(duì)線(Spare Pair)來供給電力。而中跨型(Mid-Span)卻僅能夠使用預(yù)備對(duì)線來供給電力。請(qǐng)留心Gigabit以太網(wǎng)，也就是1000BASE-T，使用了全部4對(duì)線。因此，IEEE 802.3af對(duì)于Gigabit以太網(wǎng)并無規(guī)范中跨型(Mid-Span)供電設(shè)備。
無論是透過信號(hào)對(duì)線或者是預(yù)備對(duì)線，皆是利用相同模式來傳送電力。供電設(shè)備端乃是從隔離電壓器的中間抽頭(Center Tap)供給48伏特的直流電壓，相對(duì)地，受電端裝置當(dāng)然也是從中間抽頭接受電力。
各個(gè)變壓器所提供的直流電力當(dāng)然不會(huì)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。因此，既有的實(shí)體層PHY芯片依然可以繼續(xù)沿用下去。 而受電端裝置有可能從信號(hào)對(duì)線或者是預(yù)備對(duì)線接受電力，因此都會(huì)使用二極體橋接方式。
PoE有其規(guī)定的電力供給遷移圖
無論是端點(diǎn)型(Endpoint)或是中跨型(Mid-Span)供電設(shè)備，只要是合乎IEEE 802.13af的規(guī)范，都必須與既存的以太網(wǎng)設(shè)備兼容。所以也必須有一套專用的協(xié)議，用來判斷連接在網(wǎng)絡(luò)上的裝置，是否需要扮演受電設(shè)備的角色。這個(gè)協(xié)議基本上是兩個(gè)階段的處理。第一個(gè)步驟就是檢測(cè)(Detection)，即是用來區(qū)別是IEEE 802.af對(duì)應(yīng)之受電設(shè)備還是其他Ethernet設(shè)備。這個(gè)步驟是非常非常重要的一環(huán)。原因何在呢？畢竟，既有的75歐姆終端阻抗Ethernet設(shè)備，并沒有存在48伏特同相電壓的輸入，稍一不慎，就有可能會(huì)產(chǎn)生破壞的情況。
第二個(gè)步驟，就稱做歸類(Classification)。大致上是說，受電設(shè)備會(huì)將最大的電力要求傳達(dá)至供電設(shè)備。將電力歸類的目的之一，就是為了防止供電設(shè)備陷入過度負(fù)荷的窘境。比如說，當(dāng)發(fā)生過度負(fù)荷時(shí)，送往所有受電設(shè)備的電力會(huì)一齊終止掉。有了歸類(Classification)的機(jī)制，就可以避免這樣的狀況。
緊跟在檢測(cè)(Detection)以及歸類(Classifica-tion)之后，首先會(huì)轉(zhuǎn)移到起動(dòng)(Startup)模式，然后才會(huì)進(jìn)入電力供給(Powering)模式。因此，PoE是有其規(guī)定的一套狀態(tài)遷移圖。
首先，我們來探索檢測(cè)(Detection)的協(xié)議是采用怎樣的方式。
依據(jù)IEEE802.3af的規(guī)定，受電設(shè)備內(nèi)部必須具有檢測(cè)用途用的「25K歐姆」電阻。實(shí)際上的測(cè)定就是利用了電流-電壓特性上的兩點(diǎn)間斜率算出來的阻抗值。更具體的說，就是在2.8V到10V之間，選出至少最低電壓差1V的兩點(diǎn)來判定阻抗值。如果認(rèn)定是25K歐姆的場(chǎng)合，就可以認(rèn)識(shí)為受電設(shè)備了。
一旦檢測(cè)出受電設(shè)備之后，供電設(shè)備會(huì)進(jìn)入歸類模式，講白了也就是取得受電設(shè)備的最打功耗的信息。具體來說，供電設(shè)備必須在10ms～75ms之間，給予受電設(shè)備15.5伏特到20.5伏特之間的的電壓來測(cè)試流入的電流值。也就是根據(jù)這個(gè)結(jié)果，受電設(shè)備依據(jù)耗電的大小被歸納成五類。歸類在IEEE 802.3af規(guī)格中是列為選項(xiàng)(Option)。因此，供電設(shè)備未必一定要實(shí)行歸類的法則，這時(shí)候就以Class-0來處理就可以了。
假設(shè)供電設(shè)備能夠提供全體150W的電力，分給Class-1的受電設(shè)備的數(shù)目就可以達(dá)37個(gè)。如果不實(shí)行歸類的話，供電設(shè)備就必須分配15.4W給各個(gè)端口(Port)。
經(jīng)過受電設(shè)備檢測(cè)以及選項(xiàng)的歸類過程之后，第三個(gè)階段就是供電設(shè)備進(jìn)入起動(dòng)模式(Startup)，爾后才會(huì)進(jìn)入第四階段的電力供給模式(Powering)。
起動(dòng)模式(Startup)的最主要用意，就是要決定電力供給的必要與否。依照802.3af的規(guī)定，這個(gè)判斷的動(dòng)作必須在檢出受電設(shè)備后的400ms之內(nèi)進(jìn)行。
為了確保安全性，當(dāng)供電設(shè)備對(duì)某個(gè)端口(Port)開始供電之后，還會(huì)繼續(xù)監(jiān)視電流的情況。有兩種方式，其一是主動(dòng)式的方法，規(guī)定了不能越過400mA～450mA的ILIM參數(shù)值。另一種是被動(dòng)式的限制手段。特別規(guī)范了ICUT以及tOVLD(50ms～75ms)的兩個(gè)參數(shù)值，一旦超越制限電流達(dá)50ms～75ms以上，就會(huì)停止端口的供電。
為了達(dá)成以上所說的電力控制，一般所見到的方案皆是采用了功率MOSFET元件。供電設(shè)備會(huì)開啟MOSFET晶體，然后變動(dòng)其閘極(Gate)電壓來控制輸出電流。當(dāng)端口在起動(dòng)模式期間，供電設(shè)備會(huì)抑制MOSFET的電流在60mA的范圍，當(dāng)端口電壓到達(dá)30V之際，供電設(shè)備才會(huì)開始將最大的電力供給受電設(shè)備，這種手法就是SELV(Safety Extra Low Voltage)安全特別低電壓。
而受電設(shè)備處于起動(dòng)模式的時(shí)候，其主要任務(wù)就是對(duì)于旁路電容器的充電。當(dāng)端口電壓到達(dá)30V～42V的時(shí)候，就會(huì)脫離所謂的UVLO(Under Voltage Lock Out)狀態(tài)。
當(dāng)一路平安地經(jīng)過50ms的起動(dòng)模式之后，最后的階段才是進(jìn)入電力供給模式(Powering)。各個(gè)受電設(shè)備必須遵守上表所規(guī)定的電力，不得逾越。
既然有了共通的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)之際選擇芯片解決方案時(shí)，還是以符合IEEE 802.3af為首要考量規(guī)格。除此之外，對(duì)于PoE系統(tǒng)測(cè)試的驗(yàn)證基礎(chǔ)，也必須要有足夠的認(rèn)知。其中包括有功率分級(jí)(Power Classification)、時(shí)序(Timing)、簽署辨証(Signatures)，以及IEEE標(biāo)準(zhǔn)中所定義的wiring alternative等。
因此在評(píng)估完整的PoE測(cè)試設(shè)備時(shí)，不僅要考量具備有控制IEEE 802.3af參數(shù)所需要的彈性及靈活度，模擬用電裝置(PD)，具備全自動(dòng)化的操作測(cè)試程序以及IEEE 802.3af符合性(Conformance)驗(yàn)證軟件等。
不再受限于電源位置的PoE技術(shù)
總之，PoE (Power over Ethernet)是一門利用以太網(wǎng)來供電的技術(shù)，是一項(xiàng)改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電方式的全新技術(shù)。在IEEE 802.3af/at的規(guī)范下，可以透過現(xiàn)有以太網(wǎng)線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)與電力。
而PoE技術(shù)可以廣泛運(yùn)用在無線AP、網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)、VoIP等產(chǎn)品上，由于不需要另外再連接外部電源，因此在規(guī)劃安裝這些遠(yuǎn)端設(shè)備時(shí)，可以更方便地選擇合適的架設(shè)地點(diǎn)，而不再受限于電源位置的限制。若使用
PoE交換機(jī)集中管理多臺(tái)遠(yuǎn)端設(shè)備的電源供應(yīng)，還可以搭配所謂的UPS不斷電系統(tǒng)，即使遇到大風(fēng)、下大雨或人為因素以及遭遇停電的時(shí)候，也犯不著去擔(dān)心遠(yuǎn)端設(shè)備電力、通訊的中斷等問題。