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超过60W的POE关键在于符合安全标准

作者:时间:2012-05-29来源:网络收藏

标准提供了方便、灵活而增强的管理能力,能够采用与传输数据相同的5类电缆提供电源。目前一代基于标准的技术能够通过四对电缆线,提供高达60W的功率,也较前一代两对线方案有更高的效率。

随着业界转向通过5类线(或更好的布线架构)提供更高的功率,系统设计者与网络管理员必须了解各种新兴技术选择,包括由IEEE主持开发的标准,以及其它带来高成本而笨重的部署复杂性,并有潜在安全风险的标准。例如,有些制造商推广过每端口100W的方案,它在加电前不做检测,这是一种危险的省略。其它提供200W/端口的方案甚至更加危险,除非在每个PSE(电源设备)单元处使用可硬复位的熔丝,或由有资格的电工做布线。在以太电缆上为设备供电的唯一安全方案是遵守-2009规范。

HDBaseT联盟正开发100W的电源规范,针对那些通过单根LAN电缆传输无压缩、大带宽多媒体内容、100BaseT以太网、电源,以及各种控制信号的产品。HDBaseT联盟是一个致力于在整个家庭内分配高清晰多媒体内容的推广与标准化跨行业组织,它创造了一种“五重”功能,将无压缩、全高清数字视频、音频、100BaseT以太网、规范电源,以及各种用于传输的控制信号都聚合到一根5类电缆上。

尽管独立的制造商们正在追求更高功率水平的方案,但HDBaseT供电方案则提供了其它功能,包括符合-2009标准Section 33.7.1,它规定了所有PSE都要满足国际电工委员会60950-1:2001规范,包括作为每端口功率不超过100 VA(或100W),无需特殊过流保护设备的有限电源分类。HDBaseT还做供电设备的检测与分类,可在加电前确定设备的功耗。

随着业界转向更高功率,其它标准也纷纷现身。例如,HDBaseT供电的电视与音频设备必须符合UL 60065标准,它要求当负载大于15W时使用阻燃外壳。因此,即使一台电视负荷满足了IEC 60950-1:2011对小于100W/端口有限电源的要求,它仍然需要使用防火外壳。

当对有限电源的需求转向100W/端口以上的实现时,就要求电缆采用一种特殊的阻燃管,通过支架安装的金属盒连接到PSD和电源设备的输入端。这种要求适用于电缆长度大于10 英尺(3.05米)。

超过60W的POE关键在于符合安全标准

图1 该电路有两个端口,每端口承载100W。电能在受电设备端计算,每个端口都有限制电源的要求。根据《美国电力规定》,采用这种方案为设备供电的多端口中跨必须在每个端口处有一个写明额定功率的铭牌。

对于短于10 英尺的电缆,设计者可以使用同一种四对POE/HDBaseT电缆系统,它包括一个数据电缆和一个RJ-45插头。但是,此电缆的特性必须超过典型5/E类电缆的要求(图1)。有些制造商试图避开100W的上限以及相关的保护要求,他们建议,上限可以适用于一根电缆内两个PSE中的每一个。使用这种逻辑,他们认为一个符合性PSE可以支持95W,而一个PSE对可以在相同电缆上支持大约两倍的数量。但这一概念是不正确的,有危险。

IEEE802.3at-2009标准规定,要在物理接头处测量100W有限电源的供电上限。UL CAN/CSA-C22.2 60950-1-07的表2B和2C以及UL 60950-1文件都清楚地定义了对有过流器件和没有过流器件的电源的限制(表1和表2)。从UL观点看,一根电流上存在两个PSE是不恰当的,因为它是一种使用单一接头的盒内电源,接头是唯一输出电源的连接器,它不得超过100W。

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图2 这些电路在长于3.05m (a) 和短于3.05m (b)的电缆上,实现了250W功率。

实现250W或250 VA供电的唯一方式,要么在每个端口使用断路器或熔丝,要么让有资格的电工布放电缆,而这实际上消除了部署的优点。图2给出了通过全部导线提供100W以上电源(例如两个单端口的200W情况)的正确配置。

对于信息数据设备或大于15W的电视和音响设备,如果总供电负荷大于100W,则两种情况都需要金属外壳。图2a中的情况需要一种非标准的布线结构,以确保安全性。方案不能在PSE处和供电设备输入端直接使用RJ-45接头,并且需要一名有资格的电工做安装。图2b中的情况可以使用典型的POE/HDBaseT布线系统,但也需要特殊布线。总之,根据《美国电气规则》的标准,采用标准的以太网布线结构,用单一端口提供大于100W电源是不安全的。

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图3 HDBaseT使用以太网电缆的全部四个线对,为受电设备提供了两个电源接口,这样提供的电能是双线对方案的两倍。

四线对供电

HDBaseT通过采用IEEE802.3at-2009规范中针对四线对供电的机制,实现了大功率供电能力,并保持了完全的标准符合性。四线对供电在提供更大电能同时,获得了更高的效率。它为受电设备提供了两个电源接口,这样就可以采用以太网电缆的全部四个线对,获得的功率是双线对方案的两倍(图3)。两个电源接口中,一个使用1、2、3和6线的双线对,另一个使用4、5、7和8线的双线对。这种结构能够增加提供的能量,并完全符合标准。在一个典型的HDBaseT实现中,会装一个50至57V-dc的电源为PSE供电,而所有受电设备都直接通过5类或更高等级电缆上的HDBaseT链路,获得电能。

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表1 无过流保护器件的电源极限

输出电压 输出电流 表面功率

a UCC:输出电压的测量遵照1.4.5,所有负载电路都不接。电压是持续的正弦ac和无纹波dc。对于非正弦ac和纹波大于峰值10%的dc,峰值电压不应超过42.4V。

b ISC:没有任何容性负荷下的最大输出电流,包括一个短路电路。

c S(VA):没有任何容性负荷下的最大输出VA。

d 如果保护是来自电子电路或一只正温度系数器件,则加上负载5秒后,测量ISC和S,其它情况是60秒。

表2 有过流保护器件的电源极限

输出电压 输出电流 表面功率 过流保护器件的额定电流

a UCC:输出电压的测量遵照1.4.5,所有负载电路都不接。电压是持续的正弦ac和无纹波dc。对于非正弦ac和纹波大于峰值10%的dc,峰值电压不应超过42.4V。

b ISC:没有任何容性负荷下的最大输出电流,包括一个短路电路,在加上负载后测量60 秒。

c S(VA):没有任何容性负荷下的最大输出VA,在加上负载后测量60 秒。

d 测量期间,电路中维持限流阻抗,但过流保护器件被旁路。注:测量时过流保护器件旁路的理由是,确定在过流保护器件工作期间,造成可能过热的能量数量。

e 过流保护器件的额定电流:当电流等于表中所规定额定电流的210%时,在120秒内切断电路熔丝和断路器的电流。

使用HDBaseT时,核心使用每两个电缆对上的1A电流,并使用三事件的分类法来判断符合标准的PSE。这种方案使HDBaseT技术能够从HDBaseT链路一端向另一端,每端口传输高达100W的连续直流功率。HDBaseT供电标准比IEEE802.3at-2009更前进了一步,它使受电设备能够识别电缆长度与阻抗,只要总功耗不超过100W,必要时可供出更大功率。HDBaseT能够使用一根LAN电缆,在100m距离上提供高达100W电源,而无需附加电源,这符合能量使用与需求的趋势,以及政府主导的提高能效行动。这一功率水平超过了对今天典型40英寸LED电视(需要70W功率)的支持要求。

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表3 拟议的6.0版,2012年夏季生效(可视屏幕面积)

今年,美国环境保护署的最新能源之星5.3规范将限制所有电视功耗不超过108W,无论是多大屏幕,而能源之星6.0的目标是所有尺寸屏幕电视耗电不高于85W。表3给出了拟议的6.0版电源规范,它应在今年夏天生效(参考文献1)。无论LCD电视还是LED电视,很快都应达到每英寸屏幕大约耗电1W的水平。以这种水平,HDBaseT供电规范甚至可以支持更大的显示屏。

尽管今天的以太交换机可以且经常内置了,但还有另一种有能效方式是POE的中跨部署(midspan),它位于一个非POE交换机和一个网络供电设备之间。中跨也是HDBaseT最喜欢的部署模型,因为要在一个以太/HDBaseT交换机的每个端口增加100W,将会是一个令人生畏的任务,会大大降低系统的可靠性。中跨方式亦能实现远程电源设备监控与配置,从而显著减少了功耗。网络管理员可以监控每个端口的功耗和总功耗,并配置端口的即时开/关和定期开/关功能,以及不间断电源状态端口的开/关功能。

POE技术还可以提高能效,方式是尽量减少空闲功耗。很多POE中跨与交换机都采用了开关电源,其效率在满负荷时为90%,意味着一个220W POE电源要消耗220W交流能量,而400W POE电源则消耗440W。不幸的是,当200W额定单元开关电源空闲时,0W负载的开关功率损失为20至40W,而400W额定单元的0W负载时损失为40至80W。通过调整POE的分布式电源结构可以解决这个问题。例如,网络管理员可以先用一个450W的内部电源处理所有的实时需求,必要时再用一个外接的450W至1 kW电源,升级到每端口的满功率。

POE创新的另一个重要领域是距离的延伸。四线对电源能够用最长100m电缆为设备供电,这是HDBaseT标准定义的距离。今天的POE中跨从中间测量电缆长度,当电缆长度和设备的最大功率需求均为已知时,可以正确地向受电设备提供电能。这种方案确保了一台距离100 m需要22.8W以上功率的受电设备,在达到最大负荷时不会出现意外掉电。

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图4 得到的基线距离延伸

PSE 源 200m处受电设备的功率

四线对IEEE802.3at PSE(60W) 25W(802.3at受电设备) 12.95W(802.3af受电设备) 12.3W(802.3af Class 2受电设备)

网络管理员可以使用延长器技术,同时向200m基线距离的网络设备提供数据和电源,如WLAN接入点和网络摄像头,这一距离是IEEE规范的两倍。延长设备简单地连接到一个中跨上,并通过POE输入获得电能。表4给出了延长的基线距离。另外还可以做级联,达到更远的距离。

POE在不断发展,提供了更多高价值的供电功能与管理功能。当技术超越60W限制,具备了新一代更大功率能力时,设计者的要点是保持与所有IEEE802.3at-2009标准的符合性,包括确保安全供电的标准。HDBaseT联盟已采用IEEE802.3at-2009作为100W的技术,它完全支持所有安全供电要求,并提供了在单根100m 5e/6类电缆上,聚合无压缩高清数字视频、音频、100BaseT以太网、标准化供电,以及各种控制信号的机会。



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