IEEE 802.3的第三十三條款為針對在乙太網路供電(PoE)所制訂的標準。根據此標準所明訂，可將最多達15.4瓦的電力傳輸至用電設備(Powered Device, PD)。
IEEE 802.3at則是由IEEE(國際電機電子工程師學會)於日前所批准的延伸新標準，一般稱之為「PoE+」。PoE+支援來自供電設備(Power Sourcing Equipment, PSE)每埠高達30瓦的功率水準。在IEEE標準中，PSE負責提供及控制傳輸至線纜另一端PD的電力。
然而，不管是PoE還是PoE+，其功率水準還是有些不足。一般而言，一個PSE系統或企業網路中的多個PSE系統所具有的埠數可能就多達四十八個。就採用PoE的乙太網路交換器或中跨設備而言，其主要是供電給網路語音通訊協定(VoIP)電話、無線接取點、保全攝影機、銷售點系統(POS)及其他網路裝置，在其完整的安裝建置中，埠數可能就多達數百個。鑑於這龐大的相乘係數，由PSE所提供的電力很輕易就會突破千瓦範圍，甚至是更高。所以，使用可提升電源效率的PSE控制器並謹慎管理電源供應，將可大幅節省電力並降低系統成本。
慎選功率控制器
與功率控制器有關的功耗主要是來自三方面：一是靜態功耗，來自電源供應器，未傳送至負載的電力；二是與電流感測電阻和串列功率單結型場效應電晶體(FET)有關的I2R損耗；第三則是其他任何在此功率路徑上元件，例如會用於常見的「AC斷開」方法中的串列二極管。
表1列出在350毫安培(mA)的負載中，針對四埠PSE控制器的最大高壓電流、最大串列電阻及每埠總功耗。
| 表1 4埠PSE控制器的最大高壓電流、最大串列電阻與每埠總功耗 |
| PSE控制器 |
4埠的靜態Vee電流(最大) |
串列電阻 |
Vee=50伏特及350毫伏特負載的每埠總功耗 |
| 競爭產品A |
5毫安培 |
外部0.5歐姆感測電阻和0.2歐姆FET |
148毫瓦 |
| 競爭產品 B |
4毫安培 |
外部0.33歐姆感測電阻和0.2歐姆FET |
115毫瓦 |
競爭產品 C
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14毫安培 |
內部1.8歐姆 |
395毫瓦 |
| Si3452 |
4毫安培* |
內部0.6歐姆 |
124毫瓦 |
* 全部連接埠開啟及關閉兩種狀態的數據平均
DC/AC斷開 利弊互見
斷開方法是指用以中斷電力傳輸至特定用電裝置的演算法。IEEE標準明訂兩種中斷感測的方法。
第一種方法是直流電(DC)斷開，當電流下降至10毫安培時，此方式會感測電流並中斷電力。事實上，由於測量路徑中的寄生電感，會造成系統的交流雜訊來源，所以精確的感測線上低電流，具有相當的難度。
第二種交流電(AC)斷開則是透過一個串列二極管將些許毫安培AC電流注入PoE電路中，並在此二極管反向偏壓時斷開PD。相較於DC斷開，AC斷開可以更精確，然而典型的0.6伏特串列二極體壓降加上AC電流來源，將會在350毫安培的埠電流上增加將近400毫瓦的功耗。此種對於整體效率的負面影響，讓AC斷開幾乎不被期望能用以最大化PSE系統的能源效率。
芯科實驗室(Silicon Labs)推出的Si3452 PoE控制器採用具有專利和完整互控性的「dV/dt斷開」方法，同時兼具效率和精確度。在斷開感測期間，此方法簡潔地將FET置於一個非常低的電流限制模式中。若PD未被斷開，則FET電流限制將被切換至正常的電流限制，而連接埠的電壓僅會有些微改變，且為時極短(一如其dV/dt斷開的名稱由來)。dV/dt(或其中並未真正的斷開)被偵測到後，便能進行精確的斷開事件感應，但是卻不會像AC斷開般地浪費電力。
電源管理扮演關鍵角色
提供每埠高達30瓦的電力，多埠數PoE+ PSE系統需要相當龐大的電源供應，才能將最大的電力提供給所有的連接埠。例如，一個二十四埠系統便需要720瓦的電力供應。基於此理由，電源供應管理便相當重要。
大部分的PoE控制器針對斷開提供連接埠電流監測，並提供連接埠電流限制以避免短路和過載。有些PoE控制器提供可程式化過載電流閾值，而Si3452則能在過載門檻值可根據PD分類結果自行調整的模式下程式化。此功能被稱為「每埠電源管理」。此方法能針對整體系統電源供應進行動態管理，以達到最佳的電力節省狀態。
IEEE標準明訂PD分類的機制，可分為最大電力4瓦範圍內的PD(Class 1)、最大7瓦(Class 2)、最大15.4瓦(Class 3)，或是針對PoE+最大30瓦(Class 4)。作為一個選項，PD可透過Ethernet LLDP層與PSE進行溝通，以進行動態電源管理。
一般而言，此種電源管理採用授權方式(Grant-based)(圖1上半部)。就此種以授權為基礎的電源管理方式而言，當電力夠用或全部的系統電力已被分配用罄時，此電源管理會根據優先順序的規畫傳送或是停止傳送電力至連接埠。
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| 圖1 以授權及功耗為基礎的電源管理 |
雖然分類機制和LLDP提供重要的資訊，但是對一特定的PD而言，其所汲取的電力通常會較它所要求的最大電力為低。另一種電源管理方式則是以功耗為基礎(圖1下半部)。在此，功耗會被偵測，根據實際的功耗，當有充足的電力可供使用時，則有更多的連接埠可獲得授權供電，並儲存電力以供尖峰使用。先進的PSE控制器，例如Si3452的個別電流監測可被用來測定每一連接埠的功耗，如此便毋須使用電源供應電流監測裝置。
圖2顯示了一個結合所有功能的完整功率管理PSE系統，該系統由Si3452和搭配的電源管理軟體開發套件所支援。
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| 圖2 完整的PSE電源管理解決方案 |
相較於以全部電力供電，使用此種方法便能理所當然地選擇僅四分之一電量的電源供應。例如，針對二十四埠PoE+系統，可使用180瓦取代720瓦的電源供應。
電力用罄的情況極少發生，因為中跨電源注入器或PD附屬電源供應可被用以補償不足。由於較小的電源供應器所產生的功耗較低，因此這小得多的電源供應可降低成本並增加系統效率。根據預估，在既定的功率水準上，相較於720瓦電源供應，180瓦的電源供應可節省10瓦的電力。針對二十四埠系統，則每一連接埠可節省400毫瓦以上的電力。表2扼要說明利用高效率的PSE設計和電源供應所節省的電力和成本。
| 表2 高效率PSE設計和電源供應所節省的電力和成本 |
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每埠可節省的電力 |
24埠系統5年可節省的金額(基於0.06美元 / kWhour ) |
| 低PSE連接埠控制器靜態功率和串列電阻 |
在350毫安培時為250瓦 – 低電阻控制器在電流更大時可節省更多 |
15.75美元 |
| 使用dV/dt斷開 |
400毫瓦 |
25.20美元 |
| 高效率電源管理 |
400毫瓦 |
25.20美元及較小電源供應器的較低成本 |
| 節省總額 |
1050毫瓦 |
超過100美元，包括電源供應器所節省的成本 |
有此可見，採用高效率的連接埠控制器例如Si3452元件，再結合智慧型電源供應管理，將能大幅節省系統功耗並降低系統成本。
(本文作者任職於芯科實驗室)