雙向以太網(wǎng)供電

以太網(wǎng)供電 (PoE) 是一種技術(shù)，標準的以太網(wǎng)布線具有雙重功能，既作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施，又作為為遠程設(shè)備供電的方式。這在安裝簡單性和互連效率方面提供了許多優(yōu)勢。PoE 已廣泛應用于安全攝像頭、IP 電話、無線接入點和智能建筑的燈具等應用中。然而，標準 PoE 也有缺點，這篇博客提出了一些有助于改進它的技術(shù)。

傳統(tǒng)的單向以太網(wǎng)供電系統(tǒng)

最初的 PoE 標準是 IEEE 802.3af，它指定 15.4W 的 48V 發(fā)射到標準 CAT-5 雙絞線以太網(wǎng)電纜中。后來的變體包括可以發(fā)射 30W 的 802.3at. 和可以發(fā)射 60W 或 100W 的 802.3bt。還有一些非標準的實現(xiàn)可以實現(xiàn)更高的功率或更長的距離。

PoE 系統(tǒng)的工作原理是從供電設(shè)備 (PSE) 端點通過 CAT-5 電纜進入受電設(shè)備 (PD) 的能量流。這種能量流不會妨礙通過完全相同的導體傳輸雙向以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。由于 5 類雙絞線以太網(wǎng)電纜針對高速數(shù)字信號而非電力傳輸進行了優(yōu)化，因此電纜中可能存在顯著的 I 2 R 損耗。這些標準允許大約 15% 的從 PSE 發(fā)射的功率在到達 PD 之前在電纜中損耗。PSE 和 PD 上的 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器在 PoE 線路上的大約 48V DC和兩端設(shè)備中使用的內(nèi)部電壓之間進行轉(zhuǎn)換。

以太網(wǎng)雙向供電系統(tǒng)的優(yōu)勢

請注意，標準 PoE 中的能量流是單向的，總是從 PSE 流向 PD。這限制了 PoE 的適用性，并且如果 PSE 和 PD 需要交換角色，則還可能需要在每個方向上使用冗余 PoE 鏈路。我們可能希望在這些線路上雙向流動的原因有幾個。一種情況涉及分布式能源系統(tǒng)。遠程端點可能有內(nèi)部電池，或者可能與它們自己的能源相關(guān)聯(lián)。一個典型的例子是帶有集成光伏陣列和電池的路燈。在延長的黑暗時段，網(wǎng)絡(luò)通過 PoE 供電以保持燈亮并為燈具電池充電。但是，當陽光明媚且內(nèi)部電池充滿電時，每個路燈上的光伏 (PV) 陣列產(chǎn)生的瓦特可以反向驅(qū)動 PoE，并幫助為智能高速公路網(wǎng)絡(luò)中更深處的路由器、紅綠燈和其他負載供電，或者將多余的能量賣回電網(wǎng)。雙向 PoE 的另一個原因是容錯。在關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，路由器和邊緣計算機通常以雙工對運行。這些設(shè)備的主要故障模式是它們的本地能源或線路供電。如果雙向 PoE 端口互連兩個冗余路由器，如果運行任一路由器的 AC 電網(wǎng)連接或電源模塊發(fā)生故障，則雙向 PoE 可以從其伙伴那里借用一些能量，通過 PoE 以適當?shù)姆较騻鬏?，并運行發(fā)生故障的節(jié)點，直到可以修復為止。雙向 PoE 的第三種可能用例是菊花鏈式物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點線性陣列，其中電力被饋送到兩端，鏈上每個設(shè)備上的兩個以太網(wǎng)端口中的每一個都可以提供或吸收電力。最后，還有類似于現(xiàn)代筆記本電腦上 USB-C 端口的潛在用途，有時端口驅(qū)動負載，有時接受充電器電纜。許多潛在的物聯(lián)網(wǎng)應用程序可以使用這些雙向功能。

那么，單個端點如何同時充當 PSE 和 PD？訣竅是使每一端的電源轉(zhuǎn)換器成為兩個象限。在傳統(tǒng) PoE 中，電源轉(zhuǎn)換器只能輸入特定電壓（例如 380V DC直接來自交流輸入上的功率因數(shù)校正電路），并將其批量轉(zhuǎn)換為 48V（通常設(shè)置得更高一些，如 54V），用于驅(qū)動 PoE 電源插入器變壓器，進而驅(qū)動電纜。在 PD 處，通常還有另一個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它從 PoE 電纜獲取 48V 并產(chǎn)生 PD 電路使用的中間總線電壓（通常為 12V 或 3.3V）。這些單象限電源不可能逆轉(zhuǎn)它們的能量流。在雙向 PoE 中，兩端的電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為雙象限操作，因此在收到指令時，內(nèi)部開關(guān)穩(wěn)壓器電路可以從任一端口接收能量，執(zhí)行適當?shù)碾妷恨D(zhuǎn)換，并將能量傳送到相反的端口。在當今的交換機和路由器等多輸出 PoE 設(shè)備中，對于所有 PoE 端口，通常有一個大容量轉(zhuǎn)換器。要將其轉(zhuǎn)換為雙向運行，每條 PoE 線路都必須有一個單獨的專用二象限電源轉(zhuǎn)換器，因為有源線路的一個子集將作為 PSE 運行，而其余線路將作為 PD 運行。

控制這些電源轉(zhuǎn)換器的運行可能很棘手。該系統(tǒng)必須監(jiān)控所有電源轉(zhuǎn)換器兩個端口上的電壓和電流，并指示每條線路兩端的轉(zhuǎn)換器如何對其轉(zhuǎn)換方向、開關(guān)頻率、波形等進行編程。在具有容量限制的設(shè)備中——例如中央 PoE 路由器上的主電源，可能有數(shù)百個端口——控制算法必須確保進出所有端口的總能量保持在這些限制范圍內(nèi)。控制系統(tǒng)還必須在 PoE 線路切換方向時非常小心和精確同步，以避免瞬變，例如，如果電纜的兩端同時被編程為高功率 PSE，則可能發(fā)生瞬變。

美國專利 9,531,551 詳細介紹了雙向 PoE 的工作原理、所需的兩象限電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，以及它所依賴的復雜控制系統(tǒng)。使用此方案，可以實現(xiàn)許多高級配電架構(gòu)，這將增強基于 PoE 的網(wǎng)絡(luò)的通用性、效率和可靠性。

CHARLES C. BYERS 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的副首席技術(shù)官，現(xiàn)在加入了 OpenFog。他致力于邊緣霧計算系統(tǒng)、通用平臺、媒體處理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和實施。此前，他是思科的首席工程師和平臺架構(gòu)師，以及阿爾卡特朗訊的貝爾實驗室研究員。在電信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的三十年中，他在語音交換、寬帶接入、融合網(wǎng)絡(luò)、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺、邊緣霧計算和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域做出了重大貢獻。他還是多個標準機構(gòu)的領(lǐng)導者，包括擔任工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和 OpenFog 聯(lián)盟的首席技術(shù)官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大學麥迪遜分校獲得電氣和計算機工程學士學位以及電氣工程碩士學位。在業(yè)余時間，他喜歡旅行、烹飪、騎自行車和在他的工作室里修修補補。他擁有 80 多項美國專利。

審核編輯黃宇