以太网供电方法及系统 【技术领域】
本发明涉及网络通信技术领域， 尤其涉及一种以太网供电方法及系统。背景技术 POE(Power Over Ethernet) 指的是在现有的以太网 Cat.5 布线基础架构不做何 改动的情况下， 在为一些基于 IP 的终端 ( 如 IP 电话机、 无线局域网接入点 AP、 网络摄像机 等 ) 传输数据信号的同时， 还能为此类设备提供直流供电的技术。 POE 技术能在确保现有结 构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作， 最大限度地降低成本。
POE 也 被 称 为 基 于 局 域 网 的 供 电 系 统 (POL， Power over LAN) 或 有 源 以 太 网 (Active Ethernet)， 有时也被简称为以太网供电， 这是利用现存标准以太网传输电缆的同 时传送数据和电功率的最新标准规范， 并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。
IEEE 在 1999 年开始制定该标准， 最早参与的厂商有 3Com， Intel， PowerDsine， Nortel， Mitel 和 National Semiconductor。但是， 该标准的缺点一直制约着市场的扩大。 直到 2003 年 6 月， IEEE 批准了 802. 3af 标准， 它明确规定了远程系统中的电力检测和控 制事项， 并对路由器、 交换机和集线器通过以太网电缆向 IP 电话、 安全系统以及无线 LAN 接 入点等设备供电的方式进行了规定。之后， 在 IEEE 802.3af 标准的基础上有提出了增强型 的 POE 供电解决方案 IEEE 802.3at。
一个完整的 POE 系统包括供电端设备 (PSE， Power Sourcing Equipment) 和受电 端设备 (PD， Power Device) 两部分。PSE 设备是为以太网客户端设备供电的设备， 同时也 是整个 POE 以太网供电过程的管理者。而 PD 设备是接受供电的 PSE 负载， 即 POE 系统的客 户端设备， 如 IP 电话、 网络安全摄像机、 AP 及掌上电脑 (PDA) 或移动电话充电器等许多其 他以太网设备 ( 实际上， 任何功率不超过 13W 的设备都可以从 RJ45 插座获取相应的电力 )。 两者基于 IEEE 802.3af/at 标准建立有关受电端设备 PD 的连接情况、 设备类型、 功耗级别 等方面的信息联系， 并以此为根据 PSE 通过以太网向 PD 供电。参图 1 所示为 RJ45 的引脚 示意图。
现有 POE 每口最大供电为 30W， 供电方式有两种， 一种是空闲引脚， 称为 “中间跨接 法” (Mid-Span)， 另一种是数据引脚， 称为 “末端跨接法” (End-Span)。
如图 2， 应用空闲脚供电时， 4、 5 脚连接为正极， 7、 8 脚连接为负极。如图 3， 应用数 据脚供电时， 将 DC 电源加在传输变压器的中点， 不影响数据的传输。在这种方式下线对 1、 2 和线对 3、 6 可以为任意极性。
在使用数据引脚供电时对变压器的要求抽头的圈数比要做到一致， 这样子流过的 电流一致， 使得产生的磁通相互消除， 可以有效的避免磁通干扰。否则将会出现磁通干扰。
其中， “中间跨接法” (Mid-Span) 使用以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输 直流电， 相应的 Endpoint PSE 支持 POE 功能的以太网交换机、 路由器、 集线器或其他网络交 换设备。中间跨接法 (Mid-Span) 的优点是中跨馈电设备使用之后， 不用改动 LAN 交换设备 就可以提供 POE。缺点是， 中跨馈电设备只给没有使用的线缆对馈电 ； 如果网络中四对线缆
都在使用， 就无法使用中跨馈电器。 其实， 只有以太网 10/100Mpbs 网络才支持中跨馈电。 所 以， 如果你使用中跨馈电技术， 并且想部署千兆以太网到桌面， 数据设备就需要一套独立的 千兆基础设施。
“末端跨接法” (End-Span) 是在传输数据所用的信号线上同时传输直流电， 其输电 采用与以太网数据信号不同的频率。 Midspan PSE 是一个专门的电源管理设备， 通常和交换 机放在一起。它对应每个端口有两个 RJ45 插孔， 一个用短线连接至交换机， 另一个连接远 端设备。
可以预见， End-Span 会迅速得到推广， 这是由于以太网数据与输电采用公用线对， 因而省去了需要设置独立输电的专用线， 这对于仅有 8 芯的电缆和相配套的标准 RJ-45 插 座意义特别重大。
基于现有的 802.3at 标准， 以上两种供电方式每个端口最大供电 30W， 对于更大功 率的用电设备无法满足。如果增大单口供电能力， 需要采用以上两种方式同时通电才满足 要求， 这样方案成本会很大增加， 并且用电设备也需要支持这种供电方式。
有鉴于此， 有必要提供一种以太网供电方法及系统以解决上述问题。 发明内容 本发明的目的在于提供一种以太网供电方法及系统。
本发明的一种以太网供电方法， 所述方法包括以下步骤 ： S1、 以太网交换系统通过隔离电路传输信号至 POE 系统 ； S2、 PSE 中的 POE 控制器输出脉冲信号， 直到检测到终端连接有 PD ； S3、 PSE 从低电压向 PD 供电， 直至提供稳定可靠的 48V 直流电。
作为本发明的进一步改进， 所述步骤 S3 还包括 ： 稳定可靠的 48V 直流电经过供电回路， 所述供电回路包括 PSE 中的 MOS 管、 隔离变压器 和 RJ45。
作为本发明的进一步改进， 所述供电回路的 PCB 走线宽度内层不小于 40mil， 外层 不小于 20mil， 供电回路导线材质为铜， PCB 铜厚不小于 1 盎司。
作为本发明的进一步改进， 所述 PD 的功率小于或等于 40W。
作为本发明的进一步改进， 所述隔离电路采用光耦对电路进行高压隔离。
相应地， 一种以太网供电系统， 所述系统包括 ： 传输单元， 用于以太网交换系统通过隔离电路传输信号至 POE 系统 ； 检测单元， 用于 PSE 中的 POE 控制器输出脉冲信号， 直到检测到终端连接有 PD ； 供电单元， 用于 PSE 从低电压向 PD 供电， 直至提供稳定可靠的 48V 直流电。
作为本发明的进一步改进， 所述系统还包括 ： 供电回路， 用于传输稳定可靠的 48V 直流电， 所述供电回路包括 PSE 中的 MOS 管、 隔离 变压器和 RJ45。
作为本发明的进一步改进， 所述供电回路的 PCB 走线宽度内层不小于 40mil， 外层 不小于 20mil， 供电回路导线材质为铜， PCB 铜厚不小于 1 盎司。
作为本发明的进一步改进， 所述 PD 的功率小于或等于 40W。
作为本发明的进一步改进， 所述隔离电路采用光耦对电路进行高压隔离。
本发明的有益效果是 ： 本发明通过改变供电回路的走线宽度， 可以保证 840mA 以 上的走线电流， 每个端口可最大支持 40W 的功率， 提高了 PD 端的使用范围， 能为一些更大功 耗的网络设备供电， 且设计方案简单， 成本低。附图说明
图 1 为现有技术中 RJ45 的引脚示意图。
图 2 为现有技术中以太网供电系统中空闲引脚供电的示意图。
图 3 为现有技术中以太网供电系统中数据引脚供电的示意图。
图 4 为本发明一实施方式中以太网供电方法的流程示意图。
图 5 为本发明一实施方式中以太网供电方法的结构示意图。
图 6 为本发明一实施方式中以太网供电方法及系统中的隔离电路示意图。
图 7 为本发明一实施方式中以太网供电系统的模块示意图。
图 8 为本发明一实施方式中以太网供电系统中 POE 系统的示意图。 具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。 但这些实施方式并不 限制本发明， 本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、 方法、 或功能上的变 换均包含在本发明的保护范围内。
参图 4 所示为本发明一实施方式中以太网供电方法的流程示意图， 其包括以下步 骤： S1、 以太网交换系统通过隔离电路传输信号至 POE 系统。参图 5 所示， 以太网交换系统 包括有中央处理器 CPU， CPU 通过隔离电路传输复位、 中断等信号至 POE 系统， 其中以太网交 换系统采用 UART 或 I2C 总线与 POE 系统相连 ； S2、 PSE 中的 POE 控制器输出脉冲信号， 直到检测到终端连接有 PD。PSE 中的 POE 控制 器输出脉冲信号检测终端是否连接有 PD， 若是， 执行步骤 S3 ； 若否， 则根据接收到的信号继 续检测或停止检测。PSE 在端口输出很小的电压， 产生脉冲信号检测终端是否连接有支持 IEEE802.3at 标准的 PD。在本实施方式中， POE 系统中至少包括一个 POE 控制器， 其中 POE 控制器可支持 12 端口控制， 支持 IEEE802.3at 标准的检测、 分级， 同时也支持思科标准的检 测， 通用的 IIC 管理总线， 中断模式， 支持软件和硬件使能控制等 ； S3、 PSE 从低电压向 PD 供电， 直至提供稳定可靠的 48V 直流电。PSE 从低电压到 48V 的 直流电的变化在一个可配置时间的启动期内， 一般小于 15μs。
在步骤 S3 中， 直流电经过供电回路， 供电回路包括 PSE 中的 MOS 管、 隔离变压器和 RJ45。本发明中， PD 的功率小于或等于 40W， 供电回路的 PCB 走线宽度内层不小于 40mil， 外层不小于 20mil， 供电回路导线材质为铜， PCB 铜厚不小于 1 盎司， 这样可以保证 840mA 以 上的走线电流， 且散热良好， 等效阻抗较小。另外， MOS 管的 RDS(on) 最大为 0.150 欧姆， 消 耗的功率小于为 0.126W。隔离变压器的耐电流能力增加到 840mA， 比传统的 600mA 增加了 不少， 能满足 40W 的功率要求， 同时该变压器保证了在 840mA 电流下能正常的传输高速以太 网数据， 不受干扰。
参图 6 所示为本发明一实施方式中隔离电路的电路图， 该隔离电路采用光耦隔离法， 对 UART、 I2C、 中断等进行高压隔离， 通过图 6 中的电路， 可以使得基板系统的低电压信 号和 POE 系统的高电压信号进行隔离。
进一步地， 在步骤 S3 前还可包括 ： 检测到 PD 后， PSE 为 PD 进行分类， 评估此 PD 所需的功率损耗。
在步骤 S3 后还可包括 ： 若 PD 从网络上断开， PSE 快速停止为 PD 供电， 并重复步骤 S2。PSE 从供电到停止供电 一般在 300~400ms 之内。
相应地， 参图 7 所示， 本发明一实施方式中以太网供电系统 100， 该系统包括 ： 传输单元 10 ： 以太网交换系统通过隔离电路传输信号至 POE 系统。参图 5 所示， 以太 网交换系统包括有中央处理器 CPU， CPU 通过隔离电路传输复位、 中断等信号至 POE 系统， 其 中以太网交换系统采用 UART 或 I2C 总线与 POE 系统相连 ； 检测单元 20 ： PSE 中的 POE 控制器输出脉冲信号， 直到检测到终端连接有 PD。PSE 中的 POE 控制器输出脉冲信号检测终端是否连接有 PD， 若是， 执行步骤 S3 ； 若否， 则根据接收到 的信号继续检测或停止检测。 PSE 在端口输出很小的电压， 产生脉冲信号检测终端是否连接 有支持 IEEE802.3at 标准的 PD。在本实施方式中， POE 系统中至少包括一个 POE 控制器， 其 中 POE 控制器可支持 12 端口控制， 支持 IEEE802.3at 标准的检测、 分级， 同时也支持思科标 准的检测， 通用的 IIC 管理总线， 中断模式， 支持软件和硬件使能控制等 ； 供电单元 30 ： PSE 从低电压向 PD 供电， 直至提供稳定可靠的 48V 直流电。PSE 从低电 压到 48V 的直流电的变化在一个可配置时间的启动期内， 一般小于 15μs。 在供电单元 30 中， 直流电经过供电回路， 供电回路包括 PSE 中的 MOS 管、 隔离变 压器和 RJ45。本发明中， PD 的功率小于或等于 40W， 供电回路的 PCB 走线宽度内层不小于 40mil， 外层不小于 20mil， 供电回路导线材质为铜， PCB 铜厚不小于 1 盎司， 这样可以保证 840mA 以上的走线电流， 且散热良好， 等效阻抗较小。另外， MOS 管的 RDS(on) 最大为 0.150 欧姆， 消耗的功率小于为 0.126W。隔离变压器的耐电流能力增加到 840mA， 比传统的 600mA 增加了不少， 能满足 40W 的功率要求， 同时该变压器保证了在 840mA 电流下能正常的传输高 速以太网数据， 不受干扰。
参图 6 所示为本发明一实施方式中隔离电路的电路图， 该隔离电路采用光耦隔离 法， 对 UART、 I2C、 中断等进行高压隔离， 通过图 6 中的电路， 可以使得基板系统的低电压信 号和 POE 系统的高电压信号进行隔离。
优选地， 该系统还包括 ： 用于检测到 PD 后， PSE 为 PD 进行分类， 评估此 PD 所需的功率损耗的单元。
进一步地， 该系统还包括 ： 断电单元 ： 若 PD 从网络上断开， PSE 快速停止为 PD 供电， 并调用检测单元。PSE 从供电 到停止供电一般在 300~400ms 之内。
参图 5 和图 8 所示对本发明 POE 系统的供电部分作进一步说明。
首先以太网交换系统通过隔离电路传输信号至 POE 系统， POE 系统包括供电设备 PSE 和用电设备 PD， PSE 中设有若干 POE 控制器。其中， PSE 和 PD 通过 RJ45 接口相连。
若 POE 系统接收到供电信号， 则 POE 控制器通过 Vport_neg 端口输出脉冲信号检 测终端是否连接有 PD， 优选地， 本发明将 48V 的电压经过 PWM 电路， 输出 3.3V 的检测电压。
若检测到终端连接有 PD， 则 POE 控制器控制 PSE 从低电压向 PD 供电， 直至提供稳定可靠的 48V 直流电。此时 Vport_sense 端口为 PD 进行电流实时检测， 若 PD 从网络上断开， Vport_ sense 端口接收不到正确的电流信息， PSE 快速停止为 PD 供电， 同时通过 Vport_neg 端口再 进行检测。本实施方式中， 由 MOS 管、 隔离变压器和 RJ45 所构成的供电回路中， PCB 走线宽 度内层不小于 40mil， 外层不小于 20mil， 供电回路导线材质为铜， PCB 铜厚不小于 1 盎司， 这样可以保证 840mA 以上的走线电流。另外， MOS 管的 RDS(on) 最大为 0.150 欧姆， 消耗的 功率小于为 0.126W。隔离变压器的耐电流能力增加到 840mA， 能满足 40W 的功率要求， 同时 该变压器保证了在 840mA 电流下能正常的传输高速以太网数据， 不受干扰。
在本实施方式中采用数据引脚供电， 其中 RJ45 的引脚 1、 2 和 3、 6 分别对应 POE 电 源的正极和负极。在其他实施方式中， RJ45 的引脚 1、 2 和 3、 6 分别对应 POE 电源的负极和 正极， 或者采用空闲引脚 4、 5 和 7、 8 供电。
与现有技术相比， 本发明通过改变供电回路的走线宽度， 可以保证 840mA 以上的 走线电流， 每个端口可最大支持 40W 的功率， 提高了 PD 端的使用范围， 能为一些更大功耗的 网络设备供电， 且设计方案简单， 成本低。同时， 隔离电路可以对 UART、 I2C、 中断等进行高 压隔离， 消除了高压影响。 为了描述的方便， 描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。 当然， 在实施本 申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和 / 或硬件中实现。
通过以上的实施方式的描述可知， 本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可 借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解， 本申请的技术方案本质 上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来， 该计算机软件产品 可以存储在存储介质中， 如 ROM/RAM、 磁碟、 光盘等， 包括若干指令用以使得一台计算机设备 ( 可以是个人计算机， 服务器， 或者网络设备等 ) 执行本申请各个实施方式或者实施方式的 某些部分所述的方法。
以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的， 其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的， 作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单 元， 即可以位于一个地方， 或者也可以分布到多个网络单元上。 可以根据实际的需要选择其 中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。 本领域普通技术人员在不付出创造 性劳动的情况下， 即可以理解并实施。
本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。 例如 ： 个人计算机、 服务 器计算机、 手持设备或便携式设备、 平板型设备、 多处理器系统、 基于微处理器的系统、 置顶 盒、 可编程的消费电子设备、 网络 PC、 小型计算机、 大型计算机、 包括以上任何系统或设备的 分布式计算环境等等。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述， 例如程序 模块。 一般地， 程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、 程序、 对象、 组 件、 数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请， 在这些分布式计算环境中， 由 通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中， 程序模块可以 位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
应当理解， 虽然本说明书按照实施方式加以描述， 但并非每个实施方式仅包含一 个独立的技术方案， 说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说
明书作为一个整体， 各实施方式中的技术方案也可以经适当组合， 形成本领域技术人员可 以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说 明， 它们并非用以限制本发明的保护范围， 凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式 或变更均应包含在本发明的保护范围之内。