結合乙太網路傳輸電力　PoE為企業網路化繁為簡

在IEEE 802.3af乙太網路供電標準於三年前發表以後，由於能透過乙太網路雙絞線傳送48伏特的350毫安培的額定電源，因此，市場開始出現一波結合PoE技術的新產品，新設備中結合了PoE技術的乙太網路連結埠，出貨數量也已累積至上百萬單位。  

PSE/PD互相扶持  

在PoE中，負責提供電源的裝置稱為供電設備(PSE)，目前業界已開發出許多中跨PSE設備，於現有的資料線路中輸入電源，使不具備PoE的傳統資料裝置仍能運作。整合PoE功能的終端PSE設備，可搭配如路由器、集線器以及交換器等資料設備。當PoE在新發展階段時，中跨設備是理想的PSE選擇，因為許多需要PoE的客戶並不想更換現有的資料系統，因此今日終端PSE已成為市場主流。  

PSE透過乙太網路纜線所提供之電源，係提供連接乙太網路之用電裝置(PD)使用。這些裝置包括網路語音通訊協定(VoIP)電話、網路攝影機、以及無線基地台(WAP)等。今日用電裝置的應用已延伸至其他特殊領域，包括醫療儀器、電池充電器以及顯示系統等。透過纜線取得電源與資料，在許多領域中是相當實用的設計，其中包括不必再費事的為用電裝置拉設電源線，並且也能建立一個通用的電源標準。在結合了PSE與PD以後，PoE在商業與工業市場上逐漸受歡迎，如今也開始擴展至消費性產品領域中。  

PSE控制器管理電源分配  

採用IEEE 802.3af標準的PSE控制器，負責執行用電裝置偵測、分類、啟動連結埠、錯誤監控、以及斷電等作業。這類裝置通常屬於多重通道控制器，大多屬於四重式控制器。這些控制器以往都設計成大型的12、24或48埠系統，因此須搭載一顆以上的IC。有些控制器具備自動執行能力，但大多數機種都採用一個微控制器以逐步執行各項IEEE功能。系統中的微控制器，是用來從PSE控制器讀回連結埠的狀態以及用電裝置的類型等資訊，這類資訊之後將由微控制器加以解讀，以便進行如使用者介面(User Interfacing)與電源管理等作業。  

由於系統需要一個PSE連結埠來輸出15.4瓦的 Class 3電力(表1)，因此若要為每個連結埠提供全額電源，便需要一個大型的電源供應器(15.4瓦×24埠=370瓦)。對此，IEEE 802.3af為PD提供了一個選項，亦即根據PD將消耗的最大功率提供PSE功耗等級資訊，如此一來便可減少電源供應器的尺寸，並使用微控制器來執行電源管理作業。

表1　PoE電源等級分類表
等級	PSE輸出端的最低功耗	PD的最大功耗範圍
0	15.4瓦	0.44瓦至12.95瓦
1	4.0瓦	0.44瓦至3.84瓦
2	7.0瓦	3.84瓦至6.49瓦
3	15.4瓦	6.49瓦至12.95瓦

圖1　基本耗電率管理架構

圖1顯示一個基本耗電率管理的運作架構。在安裝初始可用電源並偵測到用電裝置後，便能讀取功耗等級資料，之後功耗等級資料再與可用的電力進行比較。若有足夠的電源提供給PD時，連結埠就會開啟，並從可用的電源抽出電力並傳送到連結埠。當PD斷線時，連結埠會關閉，電力將再送回可用電源。  

根據PD的功耗等級追蹤每個連結埠的電源分配，就能研判剩餘的電源是否足以為更多PD供電。若某個連結埠故障、或所剩下的電力不足，系統將阻止再為更多的PD供電，具備使用者操作介面的設備便能讀取並顯示這種狀態。  

單埠PSE控制器具空間分布優勢  

多重通道控制器適合支援具有大量連結埠的設備，但許多產品僅需要一個或少量支援PoE的連結埠。這類應用通常使用一個多重通道控制器，並讓未使用的通道維持在浮動狀態。PSE控制器廠商所推出的自動化單通道PSE控制器便適合於支援此類應用(圖2)。

圖2　單埠全自動化PSE

上述PSE控制器由於符合IEEE 802.3af PD偵測、分類、連結埠啟動、錯誤監控以及交流電(AC)或直流電(DC)斷線偵測等技術規格。此外，高效率LED驅動元件讓使用者能掌握連結埠的狀態：透過單一LED燈號就能瞭解連結埠是正常運作或是故障。其他選配方案包括中跨備援計時器、舊裝置偵測及功耗分類等功能元件。目前已問世之PSE控制器，部分產品還具有簡易電源管理功能，透過RC進行設定，與多重連結埠應用中的多個控制器進行聯繫。其中一項特性是不需微控制器便能獨立操作。  

除了省去微控制器以及週邊元件外，已問世之PSE控制器亦內建功率金屬化半導體場效電晶體(MOSFET)，得以切換負電壓端(Negative Rail)及內建AC斷路訊號與數位供電元件。這款低元件數的解決方案，讓電路板尺寸比一個RJ-45連結器更小。  

就已問世之產品看來，單埠PSE勝過多重通道PSE的元件配置優勢之一，便是元件的配置。舉例來說，控制器電路可置於乙太網路埠的後方或鄰近處，共用控制器的長電路則正好相反，如58伏特的瞬變電壓抑制器(TVS)亦能置於控制器附近來保護電路。簡易的電路配置，亦協助系統符合IEEE 802.3af標準的隔離規範，以避免PSE設計會忽略這方面的因素。  

牆式轉接器PSE應用靈活  

雖然應用多元，不過各種可攜式裝置對電壓與電源的需求都不盡相同。如支援PoE的PD若擁有內建的DC/DC轉換機制，就毋須依賴電壓牆式轉接器。當攜帶這類裝置外出時，僅需一條乙太網路線即可。然而，但另一種情況是沒有PoE時，如果要為電池充電器之類的元件充電，透過牆式轉接器PSE插入牆壁上的插座，即可提供PoE電源。  

這類裝置可直接插在插座上，經過AC/DC轉換器的電源提供PoE供電。這種簡單的裝置不需任何智慧型功能，僅須提供電源。市面上已有廠商推出PSE控制器，除提供PSE控制功能外，亦可安全地偵測與啟動PD。若有超過一個連結埠須使用插座，使用者可透過多個控制器來建置PoE牆式轉接器來擴充裝置。此外，相關的控制器同樣提供耗電率管理功能，可根據供電的電力限制來進行設定，此項功能可以限制特定電力等級連結埠啟動的數量。圖3顯示一個三埠牆式轉接器設定三十瓦的可用電源上限，以限制PD啟動的數量，只要不超過可用電力的上限，各種PD功率等級的組合都被允許。

圖3　一個三十瓦三埠中跨式PSE牆式轉接器

一般來說，由於牆式轉接器PSE不須限制電力，這個元件可永久安裝在牆上，並連結至舊型非PoE乙太網路資料線切換器。插在牆壁插座上的PD，就能同時收到資料與電力。牆式轉接器可設定網路位址，此項設計對緊急救災具有很大的幫助，其可透過網路電話通報所在位置，讓反應單位立即查知發出該通電話的位置。  

PoE電源中繼器扮演擴充裝置角色  

低功耗的Class 1 VoIP網路電話功耗不到3.83瓦。但若設計成Class 3的PD，PD輸入端的最高功耗便升高到12.95瓦。由於PSE須為裝置保留全埠電源，因此使PD擁有將近九瓦未使用的電源。未使用的電源可用來擴充額外的電話功能，例如視訊會議使用的攝影機。在此類電話裝置中，控制器所扮演的是電力中繼器的角色，以提供連結擴充裝置功能(圖4)。

圖4　PoE電力中繼器

PoE從PSE進入，經過PD介面控制器後，電話獲得電源後，剩餘的電源將傳至DC/DC轉換器，而使電壓提高(因纜線耗損與介面連結而消耗)，回復到正確的PSE輸出電壓。由新電壓所供電的控制器能提供偵測功能，並安全地啟動擴增裝置，而傳至攝影機的電源係透過備用雙絞線來傳送，資料則透過乙太網路的一對資料線進行傳遞。  

由於新裝置僅有不到九瓦的電力可使用，因此中繼器PSE的電力僅能支援Class 1(四瓦)或Class 2(七瓦)裝置。目前市面上的控制器電源管理設定為八瓦，以確保兩個Class種類PD中，當其中一個裝置啟動時，就不允許再啟動Class 3(15.4W)裝置。  

高功率解決方案問世  

十三瓦供電規格適合於支援許多PD應用，但對於功耗更高的裝置而言，永遠有更高的需求。配備更多天線的無線基地台，便會消耗十八瓦以上的電力；搭載左右上下擺動與鏡頭縮放(PTZ)功能的攝影機，功耗更可達到六十瓦。在這些情況下，PoE PD的十三瓦限制顯得捉襟見肘。剛開始業界以保守的電源值做為標準，但許多連結乙太網路線的裝置卻需要愈來愈大的電力，因此IEEE設立一個委員會來規範新的高功耗PoE標準，而不少高功耗PoE已開始建置在標準制定前推出的系統。  

新問世的高功率元件，可用來支援高功耗標準制定前之解決方案，新款PSE控制器提供相同的PD偵測機制，以及連結埠啟動與關閉功能，但電流的限制門檻超越IEEE 802.3af標準，兩條雙絞線的電力接近倍增。  

圖5顯示Gigabit乙太網路系統中的一個高功率PSE，具備四對選配線路。在第一個資料對中，負責控制高功率PD的電源，在另一端，高功率PD介面控制器收到電力，並轉送到DC/DC轉換器。要增加電力的另一種選擇方案，是在第二個資料線上配置額外的控制器，並以具備DC/DC轉換器的控制器作為接收端。兩個DC/DC轉換器能提供電流平衡機制，解決轉換器阻抗差異、網路線與連結器、以及二極體電壓降差異等的問題。未來，更將有許多新產品陸續問市，而其亦將同時建置高功率PoE及標準電源技術。

圖5　對高功率PoE Gigabit乙太網路系統圖

(本文作者任職於凌力爾特)