以太網路供電

**乙太網路供電**（**Power over Ethernet**，簡稱 **PoE**）也稱 **PoE 供電**，是一種可以在乙太網路中透過雙絞線來傳輸電力與資料到裝置上的多種標準化技術或自有標準技術。它允許只通過一根乙太網路雙絞線就能為無線存取點（WAP）、網路網路攝影機、VoIP 電話同時提供電力供應和資料傳輸。

現時有多套技術標準用於實現在雙絞線上同時傳輸電力和資料，其中有三種於 2003 年已經被電氣電子工程師學會（IEEE）標準化入 IEEE 802.3 中，分別稱為模式 A、模式 B、4PPoE。對於 10BASE-T 和 100BASE-TX，這些技術只使用到 CAT5 類雙絞線 4 對線中的兩對。

模式 B 方案，是將電力傳輸和資料傳輸的線路分開，使其容易排查故障，並且充分利用四對雙絞線線路，將正電壓載入在引腳 4、5 上，負電壓載入在引腳 7、8 上。

模式 A 方案，在雙絞線乙太網路（10Mbps）和快速乙太網路（100Mbps）中，是將傳輸的電力同時負載在資料傳輸的線對中，類似於通常用於為電容式麥克風供電的幻象電源技術。通過向每對線施加共模電壓，在資料導體上同時傳輸電力，由於雙絞線乙太網路是通過差分訊號傳輸的，所以不會干擾到資料的傳輸。使用標準乙太網路脈衝變壓器的中心抽頭就可以輕鬆提取共模電壓。對于吉位元乙太網路（1Gbps）和 10 十億位元乙太網路（10Gbps），由於四對線路都需要用於傳輸資料，模式 A 和模式 B 都需要將傳輸的電力同時載入在傳輸資料的線路上。

4PPoE 方案會使用四對雙絞線全部線路來傳輸電力，能為平移 - 傾斜 - 變焦相機、高效能的無線存取點、乃至筆記型電腦電池提供更強勁的供電。

除了上述三種方案外，IEEE 還提供一套信令標準用於辨識電源裝置（PSE）和受電裝置（PD），這些信令能夠允許電源裝置檢測到符合的受電裝置的存在，並允許受電裝置和電源裝置協商所需或可用的電量。

## 標準制定

### 四對、兩對雙絞線乙太網路

最初的 PoE 標準 **IEEE 802.3af-2003** 能提供每個介面最高 15.4W 的直流電功率（最小提供 44V、350mA 的直流電源）。由於電纜有傳輸損耗，受電裝置最多能獲得 12.95W 的功率。升級的 **IEEE 802.3at-2009**（也被稱為 **PoE+** 或 **PoE plus**）能為類型 2 的裝置最高提供 25.5W 的功率。2009 年還禁止裝置使用四對線路來獲得電力。這些標準也被整合到 IEEE 802.3-2012 版的標準發行物中。

**IEEE 802.3bt-2018**（也被稱為 **PoE++** 或 **4PPoE**）擴充了 IEEE 802.3at 的能力。這個標準提供了兩種不同的供電類型：對於類型 3 裝置提供最高 51W 的功率，和對於類型 4 裝置提供最高 71.3W 的功率。每對雙絞線最高能提供 600mA（類型 3）或 960mA（類型 4）的電流。另外，該標準也包含對 2.5GBASE-T、5GBASE-T 、10GBASE-T 的供電支援。 這個新特性為新應用領域打開了大門，擴大了高效能無線存取點和監視網路攝影機等應用的使用範圍。

### 單對雙絞線乙太網路

**IEEE 802.3bu-2016**，也被稱為單對線 Power over Data Lines（PoDL），主要在 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 標準，也就是一對雙絞線的乙太網路版本提供資料傳輸和電力供應的版本修改。四對、兩對雙絞線的版本中，負責提供電力的線路負載上相同的電壓，沒有用於傳輸資料的差分電壓差。而在單對雙絞線版本中，供應電力的電壓同時負載在傳輸資料的線路上，能提供 10 級供電類型，能對受電裝置提供從 0.5 到 10W 的電力功率。

之後，PoDL 還增加 10BASE-T1、2.5BASE-T1、5GBASE-T1、10GBASE-T1 的支援，到 2021 年，對於供電功率類型增加至 15 級。

## 用途

PoE 的應用場景包括：

* VoIP 電話
* 網路網路攝影機（包括帶電動雲台）
* 無線存取點
* IPTV 解碼器
* 網路路由器
* 安裝在遠端房間的小型網路交換機，用於一個上端鏈路向下提供一組乙太網路介面。這些交換機作為受電裝置可以從上端 PoE 鏈路獲得電力，或者作為中繼繼續為下端的乙太網路受電裝置提供電力。
* 公共廣播系統的遠端對講機或廣播揚聲器
* 通過 NTP 獲得授時的掛鍾
* 無線 ISP 使用的帶有整合天線、4G/LTE、802.11 或 802.16 無線 CPE（客戶端裝置）的室外屋頂安裝無線電天線
* 室外對等微波和毫米波無線電以及一些通常具有專用 PoE 的自由空間光學通信（FSO）單元
* 包括感測器、控制器、儀表等的工業控制系統組件
* 包括求助點、對講機、門禁卡、無鑰匙進入裝置等的存取控制裝置
* 智慧型燈光控制系統和發光二極體照明燈具
* 舞台和劇院裝置，例如網路音訊分線盒和路由盒
* 遠端 POS 終端
* 行內乙太網路擴充器
* 通過 PoE 分離器提供單獨的供電電源，可以用於單獨給一個遠端裝置供電或者給手機充電。
* * *

## 術語

**供電裝置**（Power sourcing equipment， PSE），就是負責在乙太網路線纜上提供電源的裝置。這個裝置可能是一台網路交換機，通稱 endspan（IEEE 802.3 標準中稱其為 endpoint），也可能是一個不支援 PoE 的網路交換機到另一台 PoE 裝置之間的中間裝置，例如 PoE 注入器，通稱為 midspan 裝置。

**受電裝置**（Powered device，PD）指任何由 PoE 供電的裝置，這些受電裝置通常還附帶一個可選的外部電源供電介面，根據設計，裝置可以完全不用、部分、或者全部由這個供電介面獲得電力，有時候也會作為一個裝置供電的後備，以防止 PoE 供電出現故障。

## 電源管理功能和整合

PoE 的倡導者希望 PoE 能夠成為全球長遠的直流電源布線標準，並取代大量難以集中管理的單獨交流配接器。相應批評者認為，PoE 的供電電壓太低，實際上比單純的直流電源配接器效率更差，尤其是乙太網路雙絞線的細長導體會導致這樣的損耗。乙太網路聯盟等 PoE 的倡導者指出，所參照的損耗是針對受電裝置的電纜品質、長度和功耗方面的最壞情況。在任何情況下，如果中央 PoE 電源取代了專用的交流電路、變壓器和逆變器，這些布線中的功率損耗是合理的。

### 整合高效能乙太網路和 PoE

PoE 和 IEEE 802.3az 高能效乙太網路（Energy-Efficient Ethernet，EEE）的整合可能會產生額外的節能效果，EEE 和 PoE 的預標準整合（例如：Marvell 在 2011 年 5 月的白皮書中概述的 EEPoE）聲稱每條鏈路可節省高達 3W 的功率。 隨著更高功率的裝置上線，這種節省尤其重要。

## 標準實現

基於標準的乙太網路供電是按照 IEEE 802.3af-2003（後來作為第 33 條併入 IEEE 802.3-2005）或 2009 年更新的 IEEE 802.3at 中的規範實施的。 標準要求使用 CAT-5 雙絞線以獲得更高的功率水平，但如果只需要較低的功率，則允許使用 CAT-3 雙絞線。

電源作為共模訊號通過乙太網路電纜中的兩個或多個差分線對提供，並且來自支援 PoE 的網路裝置（例如乙太網路交換機）內的電源，或者可以在電纜中使用 PoE 注入器作為附加的 PoE 電源，與非 PoE 交換機結合使用。

幻象電源技術允許線路供電的同時也能承載資料傳輸。這不止允許不僅可以用於 10BASE-T 和 100BASE-TX（線纜中四對線路中只用其中兩對），也可以用於 1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T 和 10GBASE-T，這些規格會使用線纜全部四對線路進行資料傳輸。因為所有版本的雙絞線乙太網路都規定了每對線路帶有變壓器耦合的差分資料傳輸，直流電源和負載可以連接到變壓器兩端的中心抽頭，因此，每一對作為直流電源的一側以共模方式工作，因此需要兩對來完成電路。直流電源的極性可以通過交叉電纜反轉，受電裝置必須使用任一對執行：備用對 4-5 和 7-8，或資料對 1-2 和 3-6。極性由備用對的標準定義，並通過使用二極體電橋對資料線進行模糊的實現。

註：

### 為裝置供電

模式 A 在 10BASE-T、100BASE-TX 模式使用資料對來供電；模式 B 則是使用備用對來供電；4PPoE 模式下則使用全部四對線路來供電。PoE 在使用全部四對線路進行資料傳輸，沒有備用對的 1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T、10GBASE-T 模式依然可以供電，是基於使用了幻象電源技術。

模式 A 有對於 MDI 和 MDI-X 有兩套組態模式，使用相同的線對但對應不同的極向。其中線 1 和線 2（T568B 線纜的 2 號線對）對應 48V 直流電的一極，而線 3 和線 8（T568B 線纜的 3 號線對）對應另一極。10BASE-T 和 100BASE-TX 都會使用這兩個線對來傳輸資料，而且也可以單獨只用於提供電力。自由極性支援交叉線、直通線和自動 MDI-X 功能。

模式 B 下，線 4 和線 5（T568A、T568B 線纜的 1 號線對）對應直流電的一極，而線 7 和線 8（T568A、T568B 線纜的 4 號線對）對應另一極。由於這兩對線對於 10BASE-T 和 100BASE-TX 是備用線對，所以模式 B 一定要使用 4 線對雙絞線。

模式 A 和模式 B 兩個供電模式的選擇是由供電裝置去決定的，而不是由受電裝置決定。標準中不允許受電裝置只實現模式 A 或模式 B，但供電裝置可以實現全部或只有其中一種。受電裝置可以在供電線對之間放置一個 25 kΩ 的檢測電阻來表明它符合標準，供電裝置如果檢測到供電線對的電阻過高或過低（包括短路），則會切斷供電，從而保護非 PoE 裝置。可選的功率等級功能允許受電裝置通過在更高電壓下更改檢測電阻來指示其功率要求。

要保持供電，受電裝置必須每次使用至少 5–10 mA 的電流至少 60 毫秒。 如果受電裝置超過 400 毫秒未滿足此要求，則供電裝置將認為裝置已斷開連接，並出於安全原因，切斷供電。

供電裝置存在兩種類型：endspan（端跨）和 midspan（中跨）。endspan，例如 PoE 網路交換機，會直接包含 PoE 供電電路，而 midspan 則是在常規乙太網路交換機和受電裝置之間接入一個 PoE 電源注入器，在不影響資料傳輸的情況下注入電源。endspan 通常用於新安裝或因其他原因（例如提升網路傳輸速率）而必須更換交換機時應用，這樣方便應用 PoE 技術。而 midspan 則是在不改變現有交換機裝置的情況使用。

支援 IEEE 802.3at 標準的裝置會定義為類型 2 裝置，一個支援 IEEE 802.3at 標準的供電裝置也可以使用鏈路層發現協定來組態標示支援 IEEE 802.3at 標準。

分類 4 隻能讓類型 2 裝置以 802.3at 標準使用，在鏈路啟動步驟必選正確回應分類 2、標記 2 的訊號，802.3af 裝置使用分類 4 的電流分類被視為不符合要求，而是被視為使用分類 0 的電流。

### 通過鏈路層發現協定組態

鏈路層發現協定（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）是乙太網路鏈用於管理裝置的鏈路層協定。LLDP 允許在 PSE 和 PD 之間交換資訊。 此資訊採用類型 - 長度 - 值（TLV）格式。 PoE 標準定義了 PSE 和 PD 用於傳送訊號和協商可用功率的 TLV 結構。

使用 LLDP 協商電源組態的步驟如下：

1. PSE 物理地使用 IEEE 802.3af 階段分類 3 測試 PD，將 PD 輸電啟動
2. PD 向 PSE 傳送訊息，表明自己是 PD，最大功率為 X，請求最大功率為 X
3. PSE 向 PD 回應訊息，表明自己是 PSE，允許提供功率為 X。這時 PD 可以使用 PSE 所提供的電源功率。

此功率協商的規則是：

* PD 不能使用超過 IEEE 802.3af 物理上所能允許的功率上限。
* PD 消耗的功率不得超過 PSE 公布的最大功率。
* PSE 可以拒絕任何 PD 消耗的功率超過 PSE 允許的最大值。
* PSE 不應減少分配給正在使用的 PD 的功率。
* PSE 可能會通過節能模式請求降低功率。

## 非標準實現

### 思科

在 IEEE 將 PoE 標準化之前，思科的一些無線存取點和 VoIP 電話就支援私有的 PoE 功能。這些早期 PoE 裝置不能通過軟體升級來支援 IEEE 802.3af。思科給這些早期 PoE 裝置能每個埠提供高達 10W 的功率。通過思科發現協定（Cisco Discovery Protocol，CDP），交換機和終端受電裝置之間可以協商需要傳輸的電量，除外，CDP 還會將語音 VLAN 值從思科的交換機動態傳送給思科的 VoIP 電話。

在思科這個標準下，PSE（交換機）會通過資料傳輸線對傳送傳送一個快速鏈路脈衝（fast link pulse，FLP），PD（受電裝置）將這個訊號通過低通濾波器連接回接收線端，PSE 就會從 PD 收回這個 FLP 訊號，PSE 就會線上對 1 和 2 提供一個共模模式電流，預設為 48V、6.3W 的直流電。PD 必須在 5 秒內向交換機埠提供自動協商模式以協商獲得乙太網路鏈路。稍後帶有 TLV 的 CDP 訊息告訴 PSE 其最終功率要求。鏈路脈衝的中斷會讓電源關閉。

2014 年，思科又創造另一個私有 PoE 協定，名為「Universal Power over Ethernet（UPOE）」，經過裝置協商，最高可以使用四個線對提供 60W 的功率。

### 凌力爾特

凌力爾特提供了一種稱為「LTPoE++」的 PoE 技術，通過簡單的 CAT-5e 雙絞線，能夠傳送 38.7、52.7、70、90W 四檔功率。

### 美高森

美高森在 2007 年收購 PowerDsine 公司，這家公司自 1999 開始就銷售自己的 Power over LAN 技術及配套的跨端電源注入器。一些公司，如 Polycom、3Com、朗訊、北電網路，有使用該技術。 

### 被動式供電

通過被動式時 PoE 系統，電源注入器不與受電裝置協商供電電壓和功率，只是始終供電。常見的百兆被動式電源注入器使用 802.3af 模式 B 的引腳排列，但極化可能各不相同。千兆被動式電源注入器在資料引腳上使用變壓器，以允許電源和資料共享電纜，並且通常與 802.3af 模式 A 相容。

需要 5 伏電壓的裝置通常不能在超過短距離（約 15 英尺（4.6 公尺））乙太網路電纜上使用 5V 的 PoE，因為電纜的壓降太大，因此遠端需要 24 V 或 48V 轉 5 V 的 DC-DC 轉換器。

也存在 DC-DC 的被動式電源注入器，將 9~36V 或 36~72V 的電源電力轉換為穩定的 24V1A、48V0.5A、48V2.0A 的 PoE 電力，將線腳 4 和 5 接為正極、線腳 7 和 8 接為負極。這種 DC-DC 電源注入器主要用於電信設施。

## 供電能力限制

ISO/IEC TR 29125 和 Cenelec EN 50174-99-1 在標準草案中就預料了使用 4PPoE 之後對預期的線材發熱情況，提到兩種情況：

1. 線材從里往外發熱。
2. 線材從外被環境溫度加熱。

第二種情況很大程度上取決於環境和安裝，而第一種情況僅受電纜結構的影響。在標準非封鎖電纜中，與 PoE 相關的升溫升增加了 5 倍。在封鎖電纜中，該值下降到 2.5 到 3 之間，具體取決於設計。

## 接線

## 參考資料

## 外部連結

* ieee802.org: IEEE 802.3af 任務組 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* ieee802.org: IEEE 802.3at （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 任務組 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* ieee802.org: IEEE 802.3bt （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 任務組 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）