以太網(wǎng)供電(PoE)：規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用的注意事項(xiàng)

By Zoran Borcic

Draka全球數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品經(jīng)理Zoran Borcic任務(wù)PoE正在處于快速發(fā)展階段。根據(jù)研究，他表示具有PoE功能的端口數(shù)量在過(guò)去五年中增長(zhǎng)了兩倍，并且可以傳輸越來(lái)越多功率的網(wǎng)絡(luò)線纜正在推動(dòng)這一趨勢(shì)。

PoE最初是為傳統(tǒng)電話提供電力，在其他領(lǐng)域也越來(lái)越重要：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能辦公室和住宅布線以及辦公室和工業(yè)中許多與網(wǎng)絡(luò)兼容的設(shè)備。PoE通過(guò)單根電纜傳輸電源和數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了購(gòu)買(mǎi)和額外布線所需的成本。

PoE注入器或交換機(jī)／集線器用作電源。企業(yè)使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)為遠(yuǎn)程設(shè)備，例如網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭或WLAN接入點(diǎn)，這些設(shè)備通常安裝在難以接近的地方。PoE的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)中央不間斷電源（UPS）增強(qiáng)了連接設(shè)備的可靠性。斷電時(shí)可以連續(xù)運(yùn)行。

PoE標(biāo)準(zhǔn)：嶄新的機(jī)遇世界

兩種變體可用于在電力供應(yīng)（電源設(shè)備、PSE）和能量消耗器（受電設(shè)備、PD）之間傳輸能量。備用對(duì)過(guò)程僅將自由線對(duì)4／5和7／8用于PSE和PD之間的電源。通過(guò)幻象電源、電壓通過(guò)所有電線對(duì)提供，這些電線對(duì)也用于數(shù)據(jù)傳輸。這意味著電流流過(guò)數(shù)據(jù)線。

最新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．3bt指定了四對(duì)PoE上可達(dá)到的最大功率，介于72至90瓦之間。由于具有更高的性能，現(xiàn)在甚至可以通過(guò)數(shù)據(jù)電纜為更大的終端設(shè)備（例如全高清IP電視設(shè)備）供電。線纜制造商一直在努力進(jìn)一步發(fā)展網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線纜的PoE性能，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到PoE工藝所需的有限功率輸出仍然是該技術(shù)廣泛采用的最大缺點(diǎn)。

布線上PoE的熱量管理

傳輸電力意味著電纜／鏈路／通道的負(fù)載增加，通常會(huì)導(dǎo)致電纜束溫度升高。數(shù)據(jù)線纜支持的功率越大，電纜中產(chǎn)生的熱量就越大。電纜的歐姆電阻會(huì)發(fā)熱，最大通道為25Ω／ 100m。此外，線束的大小和安裝環(huán)境直接影響電纜的散熱，從而導(dǎo)致溫度顯著升高。

需要特別注意跳線。包含兩／三根跳線的通道，其導(dǎo)線比線纜?。娮韪撸┛赡軙?huì)導(dǎo)致產(chǎn)生更高的溫度。

此處使用的線纜通道類(lèi)型是決定性的考慮因素：電網(wǎng)電纜通道、多孔電纜系統(tǒng)或由塑料制成的完全封閉的管道通道將對(duì)溫度產(chǎn)生明顯不同的影響。與封閉的管道相比，鋪設(shè)在開(kāi)放式格柵上的電纜顯然可以通過(guò)氣流降溫。EN－50174－2標(biāo)準(zhǔn)在4．5．4．2中規(guī)定，填充度不得超過(guò)40％。正確的規(guī)劃、維護(hù)和執(zhí)行安裝將直接影響線纜的PoE性能。

規(guī)劃PoE應(yīng)用時(shí)，必須優(yōu)先考慮線纜通道的熱量管理。長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)加熱和冷卻將改變電纜的性能。用銅線尺寸較小或長(zhǎng)度增加的產(chǎn)品替換跳線可能會(huì)改變捆扎／安裝乃至整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

PoE通道上的熱量堆積也會(huì)對(duì)連接組件產(chǎn)生負(fù)面影響。存在真正的風(fēng)險(xiǎn)，即如果在負(fù)載下斷開(kāi)連接，則會(huì)產(chǎn)生火花，從而可能損壞觸點(diǎn)。

提高PoE效率

4對(duì)線纜的最高工作溫度為60°C。如果溫度超過(guò)此極限，則傳輸性能會(huì)下降，絕緣材料會(huì)軟化并伴有永久的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性損失。

要優(yōu)化PoE通道的效率，需要考慮電纜（60°C）和組件（50°C）的最高工作環(huán)境溫度，需要考慮的其他因素是功率損耗和散熱。

計(jì)算方式：

50°C的最高環(huán)境溫度＋功率損耗–散熱＝ ＜60°C的最高熱量限制

（50°C maximum ambient temperature ＋ power loss – heat dissipation ＝ ＜ 60°C maximum heat limit）

為了獲得最佳性能，因此功率損耗與散熱的總加熱效果之和不得超過(guò)10°C。

為了保持此10°C的工作極限，必須降低功率損耗或增加散熱量。功率損耗的大小取決于所使用的電流、電阻和PoE對(duì)。影響散熱的其他因素包括束的大小、跳線、屏蔽和氣流。

如何降低功率損耗？

關(guān)鍵考慮因素是DC環(huán)路電阻，環(huán)路電阻越高，設(shè)計(jì)人員可獲得的靈活性越小。具有24 AWG導(dǎo)體（通常為Cat．5e）的線纜的DC－LR為173．86Ω／ km。

具有22 AWG導(dǎo)體或0．645mm（通常為Cat．7a）的線纜的DC－LR為108．70Ω／ km。這樣可提供比AWG 24高60％的工作范圍。簡(jiǎn)單地說(shuō)，較大的導(dǎo)體直徑可將PoE范圍擴(kuò)大兩倍。

如何增加散熱量？

除了更大的導(dǎo)體直徑，屏蔽電纜還對(duì)散熱產(chǎn)生積極影響。屏蔽層的金屬有助于散發(fā)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。較小的束和較大的流動(dòng)氣流也會(huì)促進(jìn)散熱。屏蔽電纜可在設(shè)計(jì)階段為熱量管理提供更大的靈活性。

規(guī)劃準(zhǔn)則

EN 50174－2的表4說(shuō)明了溫度如何增加傳輸路徑的影響。

為了實(shí)現(xiàn)與由90米長(zhǎng)的永久鏈路和10米跳線組成的電纜通道相同的傳輸性能，該電纜通道在20°C的環(huán)境溫度下工作，在60°C時(shí)的同一通道需要縮短20％。這非常清楚地說(shuō)明了在計(jì)劃階段進(jìn)行熱量管理的重要性。如前所述，規(guī)劃不當(dāng)或更換導(dǎo)線較小的跳線會(huì)進(jìn)一步影響這種效果。始終應(yīng)避免使用導(dǎo)體小于26 AWG的跳線。

基本捆綁測(cè)試

為了進(jìn)一步說(shuō)明電纜導(dǎo)體尺寸對(duì)熱管理影響的重要性，ISO ／ IEC TR 29125進(jìn)行了每對(duì)1000 mA電纜束的附加測(cè)試。

發(fā)現(xiàn)在使用24AWG（Cat．5e）導(dǎo)體尺寸的情況下，在10°C極限下的最大線束尺寸為37。在同一測(cè)試方案中，可以將具有22 AWG（Cat．7a）導(dǎo)體的電纜放入在達(dá)到10°C的臨界值之前，請(qǐng)使用64束電纜。

總結(jié)

從Cat．5e到Cat 8．2的所有電纜類(lèi)別均支持PoE標(biāo)準(zhǔn)802．3af，at和bt。但是，當(dāng)考慮到熱量產(chǎn)生的嚴(yán)重影響以及因此需要進(jìn)行熱量管理時(shí)，在可以使用的最大束尺寸和可以達(dá)到的最大驅(qū)動(dòng)距離之間存在顯著差異。很明顯的情況是，導(dǎo)體的尺寸和電纜的屏蔽層越大，在規(guī)劃階段就可以提供更大的靈活性，并且在規(guī)劃和持續(xù)維護(hù)時(shí)都會(huì)對(duì)跳接電纜的選擇提出最后的反復(fù)警告。

審核編輯：符乾江