【技术大神】PoE供电设备硬件设计心得

PoE（Power Over Ethernet），即以太网供电，是一种基于现有以太网Cat.5布线基础架构不做改动的前提下，为一些基于IP的终端设备（IP摄像头，IoT信息终端，IP电话机等）在传输数据的同时提供直流供电的新技术。PoE技术通过一系列的握手控制协议，确保网络在各种复杂情况（短路、断路、过流、过压等）下仍能安全、正常的运作。使得各种IP智能设备优势明显，具有便捷部署（一根网线搞定）、节约成本（无需外部变压器）和绿色环保（可在源端控制设备开启）的特点。

 
（各种支持IEEE 802.3af规范的PoE设备）

PoE主要由PSE（Power Sourcing Equipment）和PD（Power Device）组成。其中，PSE供电设备，一般是采购符合IEEE 802.3af的交换机来实现，随着技术的进步，市面上符合要求的供电交换机越来越丰富，价格也越来越合理。而PD用电设备，有两种解决方式：一种是采用现成的分电器，将分离出的数据与电源分别接入传统设备；另一种就是使用专用PD控制芯片将PoE功能集成进自己的设计中。两种方法都可以实现从RJ45口上取电。但很明显，第一种是为了兼容旧设备而准备的，作为一名有追求，又有时间的“攻城狮”，当然是首选第二种方案。但自己折腾，总会遇到这样那样的小问题，接下来就将我跟PoE打交道的这些年中遇到的问题，跟大家一同分享。

1.Mid-Span与End-Span供电方式的区别
PoE协议中，规定了两种供电方式：Mid-Span和End-Span。Mid-Span方式在我的理解中跟普通供电没有太多区别，其使用电缆内4对双绞线中未使用的2对空闲双绞线来传输电能；而End-Span方式则使用通信时所使用的2对双绞线来同时传输电能。以太网采用的是差分传输，所以叠加上的直流电压对其通信不会造成影响。在实际使用中，由于大量的工程布线采用的是只有4芯2对双绞线的电缆，End-Span方式更受到市场的青睐。

所以最基础的问题就是：购买PoE交换机时一定要确定好所支持的供电方式！笔者最开始设计POE设备时，使用某T大厂的控制芯片需外接桥堆来进行整流，因为缺乏经验，只设计了一个End-Span通道，结果调试发现完全无电，耽误了不少时间，望小伙伴引以为戒。其实，这个问题在PoE规范中有明确解释，就是设计PD时应同时支持Mid-Span和End-Span，而PSE只需要支持这两种中的一种即可，这样可确保设备的通用性，只可惜笔者刚开始没看到，白白吃了亏。

（IEEE 802.3af中关于PD应支持两种电源接口的说明）

2. PD设备最小消耗电流的限制
PoE中规定了PD设备最小消耗电流，根据不同的PSE控制芯片，此值一般在5mA到15mA之间。电流比阈值小的供电通道会被认为设备已经拔出，PSE出于安全考虑，会将此路电源做断电处理。在传统的IP摄像头和IP电话等复杂的设备中，一般不会由此引发问题，但当今MCU内部集成外设越来越复杂，越来越多的IP智能设备内部只有单个MCU来实现设计需求，因此这个地方就需要进行斟酌。

（IEEE 802.3af中关于PD最小维持电源的参数）

笔者曾经设计的一款PoE供电IoT数据集中器，初版进行测试时发现有无规律重启现象发生。在详细对电路进行检查后，也没有发现明显引起此现象的原因。直到有一次无意中观察到PSE供电路由器上的供电灯会同PD设备的重启一同亮灭。这才顺藤摸瓜，发现了产生此现象的缘由：由于设计中的数据集中器是采用EFM32系列高性能低功耗作为主控，虽然未做任何低功耗处理，但在系统正常运行时，除去IoT射频的接收发送，其平均消耗的工作电流竟只有2 - 3mA，而此电流仅为PoE规范内规定的最小消耗电流阈值的30%，所以经常会让网线另一端的PSE供电设备错误判断此设备已离线，主动切断了其供电。造成“复位”假象的发生。

由此笔者不禁一阵感叹，仅仅面世几年时间的POE协议，竟然如此快的就不适应当今半导体产业的发展，以前经常要几颗芯片，几百毫瓦才能实现的功能，在当今技术的支持下，可能仅需要像EFM32这样一颗芯片，几个毫瓦就搞定了。感叹归感叹，那此现象如何避免呢？很简单！既然工作电流太小，那我们就人为将电流提上来。用多余的电流做点别的事情，把它消耗掉。笔者曾经驱动过炫酷的指示灯，也驱动过散热风扇，但更多的时候其实就是默默的接个电阻消耗掉。不过友情提示：耗散电阻的封装一定要用大一点的（1206或以上），以免造成PCB局部升温，降低板子的稳定性。

3. 隔离降压与非隔离降压的选择
PoE规范中，PSE提供的电压是48V电信标准电压，有很多的参考设计可供选择。一般来讲，作为IP设备，由于网口RJ45上需要有1.5kV隔离电压的要求，所以设计PoE设备也要采用隔离降压电路，这也是IEEE推荐的。但，是不是必须要求隔离降压呢？我认为其实不尽然。如果是跟人体有所接触的设备，比如IP电话等，是要严格要求的，甚至在1.5kV的基础上还要达到2.5kV隔离，用以保证用户的绝对安全。但当今很多IP安全设备，本身成本很低，也不会跟人体有接触，如果严格按照隔离电源设计，则电源部分的物料成本会达到甚至超过整体设计的一半以上，这显然存在浪费。

综上所鉴笔者认为，在安全的大前提下，使用非隔离降压电路取代隔离降压电路，将带来至少三点好处。首先，BOM变简单，降低物料成本；其次，无需变压器，降低研发难度；最后，BUCK降压开关频率高，提高电源总体效率。笔者曾使用过SILICON LABS的Si3402-B芯片，该芯片自身支持隔离降压与非隔离降压两种工作模式，设计者可根据具体的项目需求，灵活设计电源部分，十分好用。所以如果不能确定采用何种压降时，Si3402-B或许会是个不错的选择，甚至在确定了压降方式时，采用Si3402-B也能够给方案提供更多样的设计空间，何乐而不为。
 

以上三点，是笔者多年来进行PoE设备设计时的心得体会，希望对大家有所帮助。PoE看似高大上，给人一种很神秘，很高端的印象，但其实协议中的全部内容，都已经集成到了控制芯片中，如Si3402-B芯片，连高性能的整流桥、降压稳压器都进行了集成。所以对于我们“攻城狮”来说，就是轻松的找到参考设计，测试拷贝到自己的原理图中，就完成了设计的大部分内容。

由于笔者能力有限，文章中所说观点不一定全部正确。如有错误或遗漏，还望各位同行不吝赐教，共同进步。

作者：用尚科技 周正