PoE 以太网供电技术讲解（上）

从标准原理到 PD 受电端器件选型：标准、链路与逐器件详解

本文分上下两期。上期讲清一根网线为什么能同时送数据和电，再把一个 PoE 端口拆成器件逐个讲透；下期给出参考电路、PCB 布局原则、常见误区与 FAQ。标准数值引自 IEEE 802.3 Clause 33 与 Clause 145（802.3af/at/bt 为通俗名称）；VOOHU沃虎 产品信息以官网 www.voohu.cn 与各型号规格书为准。

第一章 PoE 是什么：一根网线，两件事

1.1 要解决的问题

IP 摄像头、无线 AP、门禁读卡器装在网线能到、插座不一定能到的地方，传统做法要布两套线、配适配器，找不到插座就装不了。

PoE（Power over Ethernet，以太网供电）的思路很直接：让已经到位的网线把电也一并送过去。一根双绞线网线，最长 100 米，同时承载以太网数据和 44–57 V 直流电。

图 1 PoE 的基本概念：同一根网线承载数据与直流电

1.2 两个角色：PSE 与 PD

供电端叫 PSE（Power Sourcing Equipment），通常是 PoE 交换机或注入器；受电端叫 PD（Powered Device），即摄像头、AP、门禁等终端。PD 侧是网络变压器、PoE 电源变压器、保护器件用量最集中的地方，本文以 PD 受电端为主线。

1.3 PoE 带来的好处与代价

好处是布线减半、安装不受插座限制、可集中做 UPS 备电与远程重启。代价落在电路设计上：数据线上叠加了几十伏直流，网口的每一个器件都要在"不影响数据"的前提下承受、通过或隔离这股电流；受电端还要多一级 DC-DC 电源。

1.4 典型应用场景

以安防监控为例：固定枪机几瓦，落在 802.3af 的 Class 2–3；带红外补光的球机需要 802.3at；带加热器的室外重型云台需要 802.3bt。这些设备的网口结构相似，区别在功率档与环境等级，这也是后面各章的两条选型主线。

第二章 三代标准：802.3af、802.3at、802.3bt

2.1 功率阶梯

图 2 三代 PoE 标准的功率阶梯

802.3af Type 1、802.3at Type 2、802.3bt Type 3/Type 4 的 PSE 端口功率 / PD PI 保证可用功率分别为 15.4/13.0 W、30/25.5 W、60/51 W、90/71.3 W，受电 pair 最大电流 350、600、600、960 mA，PSE 输出电压 44–57、50–57、50–57、52–57 V。图中有三个口径要分清。PSE 端口功率是单个 PSE 端口的功率等级；PD PI 保证可用功率是最坏 100 米链路之后、在 PD 电源接口处保证可用的功率；经过整流桥、热插拔与 DC-DC 之后，负载实际能用的还会更低。电流是一个受电 pair 上的口径，不是单根导体的电流，也不能把正、负两个 pair 相加成端口电流。

实际工作电流由 PD 负载和输入电压决定，PSE 负责功率预算、供电、监测与限流。选电源级器件看 PD PI 可用功率再扣后级损耗；选网络变压器和 RJ45 的电流等级，按标准规定的端口电流、pair 间不平衡、暂态与热条件核算，而不是只按 PD 自身功耗。

2.2 功率等级 Class

PD 在上电前向 PSE 报告功率等级。Class 0–3 属于 802.3af（Class 1/2/3 为 3.84、6.49、13.0 W），Class 4 属于 802.3at（25.5 W），Class 5–8 是 802.3bt 新增的（40、51、62、71.3 W）。

2.3 电从哪几根线走：Mode A、Mode B 与 4 对线

先统一术语。一根网线有 4 对双绞线，每一对对应一个差分数据通道，也对应网络变压器的一个磁性 channel，本文把两者当作同一个东西。一个 PoE pairset 由一个正电 pair 和一个负电 pair 组成，共两个 channel，构成一个完整的去、回供电回路。一个四对制端口共有 4 个 channel、2 个 pairset：100BASE-TX 的数据只用 1/2 和 3/6，即一个 pairset 内的两条通道；1000BASE-T 及以上四个 pair 都传数据，即两个 pairset 内的四条通道。

数据用四对线，不等于 PoE 必须四对供电：802.3af/at 在千兆端口上仍只用一个 pairset 供电，只有 802.3bt 的 Class 5–8 才要求两个 pairset 同时供电。

Mode A 把直流放在 1/2、3/6 这个 pairset 上，电流经网络变压器的中心抽头注入和取出，与数据共用磁性通道；Mode B 放在 4/5、7/8 上——10/100 端口上它们是备用对，直流可不经过数据变压器；千兆及以上端口上它们同样传数据，直流同样走中心抽头。用哪种由 PSE 决定，PD 两种都要接受，并接受标准允许的极性配置，因此 PD 侧要有两组整流桥（或有源整流）。

802.3bt 允许两个 pairset 同时供电，理想均流下每个 pair 的电流减半、线缆损耗约减半。实际链路中连接器、线缆、磁件、整流器与 PCB 路径的阻抗差会造成 pair 间电流不平衡，器件必须按标准规定的最坏不平衡条件校核，不能按理想均流选型。

图 3 Mode A、Mode B 与 802.3bt 的两 pairset 供电

2.4 上电前的"握手"：检测、分级、上电、维持

符合 IEEE 802.3 的主动 PSE 不会一插上网线就输出 48 V，要先确认对面是合规的 PD；"被动 PoE"注入器不执行这套流程，接错设备有风险。

图 4 PSE 给 PD 上电前的阶段与双方职责

检测（Detection）。PSE 施加 2.8–10 V 探测电压并测量线对间等效电阻，PD 呈现 25 kΩ 左右的特征电阻（23.75–26.25 kΩ）；看不到这个特征，PSE 不供电。

连接检查（仅 Type 3/4 两 pairset 场景）。PSE 判断两个 pairset 后面是同一个 PD 还是两个 PD。

分级（Classification）。PSE 把电压升到 15.5–20.5 V 并施加分级事件，PD 用固定的分级电流报告 Class（Class 3 为 26–30 mA，Class 4 为 36–44 mA）；802.3bt 用多次脉冲区分 Class 5–8。

上电（Power-up）。PSE 分配功率、输出并限流；PD 热插拔电路控制浪涌电流，然后 DC-DC 才启动，PD 须遵守获配功率。

维持（MPS）。门限不按 PD 类型划分：接 Type 1/2 PSE 时用 10 mA 长 MPS；接 Type 3/4 PSE 且获配 Class 1–4 时短 MPS 仍为 10 mA，获配 Class 5–8 时为 16 mA。短 MPS 是至少 7 ms 的有效脉冲加最大间隔，不是持续最小负载。PD 长期不呈现 MPS，PSE 断电。

PSE 负责探测、分类、分配功率、限流、监测与断电；PD 负责呈现签名、极性整流、热插拔并遵守获配功率。网络变压器和 RJ45 不参与这套逻辑，任务是把直流通路"让出来"，并在规定的电流、不平衡与温升条件下不影响数据。

第三章 一个 PoE 端口的完整链路

图 5 PoE 端口完整链路：数据通路与供电通路

数据通路：RJ45 → 保护器件 → 网络变压器 → PHY → SoC，100 Ω 差分。供电通路：RJ45 → 网络变压器线缆侧中心抽头（10/100 端口的 Mode B 可经备用对直接进入）→ 两组整流桥 → PD 控制器 → DC-DC 变换器（常用隔离反激，核心是 PoE 电源变压器）→ 系统电源轨。两条通路在网络变压器处分开：数据穿过变压器到 PHY，直流从中心抽头"抽走"，所以链路里对 PoE 最敏感的器件是网络变压器。

链路中还有一条隔离边界。IEEE 要求的是系统级隔离结果：PoE 供电域与地、可触及部分及其他外部导体之间达到规定的电气隔离（网口介质耐压通常 1500 Vrms 起）。跨越边界的是网络变压器、PoE 电源变压器与隔离反馈器件；满足整机浮地条件时也可用非隔离 DC-DC，本文以隔离方案为主线。

第四章 逐器件详解

4.1 RJ45 网络接口：电流从这里进来

RJ45 分立式只含触点、外壳、LED 与弹片；集成式（ICM）把网络变压器封装在插座内部，有的还集成防雷器件。

图 6 分立式与集成式 RJ45 网络接口

PoE 机型选 RJ45 多看三项。一是 PoE 电流等级：官网品类页按 Non-PoE、350 mA 到 1.5 A 分档，这是筛选入口，具体是单 pair、单 pairset 还是端口合计口径以型号规格书为准；分立式接口另核对变压器等级。二是防雷：部分型号内置保护器件，等级与测试条件以规格书为准；不带防雷的版本按 4.4 节在板上布置。三是屏蔽外壳与接地弹片：屏蔽壳是线缆屏蔽层与机壳地的连接点，与 PoE 原边地、系统逻辑地是不同的地，接地关系在整机层面统一设计。

4.2 网络变压器：数据穿过去，直流抽出来

网络变压器做三件事：隔离、阻抗匹配与信号耦合、共模抑制（集成共模电感时）。PoE 机型里它还承担第四件：为直流提供中心抽头通路。

图 7 网络变压器内部结构：channel、pairset 与端口

内部结构：channel、pairset、端口

每个 channel 通常包含一个隔离变压器，可按结构集成一个共模电感——并非所有网络变压器都内置 CMC。带中心抽头的 channel 两侧各 3 个引脚。两个 channel 组成一个 pairset；千兆及以上端口有 4 个 channel、2 个 pairset，百兆端口用 2 个 channel、1 个 pairset。单口千兆器件规格书通常画出四路磁性通道，双口则八路。

中心抽头为什么能取电

在数据对上供电时，数据是差分电流，一对线上两根导体的电流大小相等、方向相反；PoE 直流是共模电流，从中心抽头注入后一分为二，两根导体各走一部分、方向相同。两半绕组完全平衡的理想情况下，直流磁通相互抵消，磁芯不饱和，数据不受影响。

图 8 PoE 直流经中心抽头"借道"数据对的原理（理想平衡情况）

实际中绕组直流电阻、匝数、接触电阻和线缆的不平衡会让两半绕组电流不等，残余直流偏磁会降低开路电感（OCL）、恶化回波损耗、压缩链路裕量并带来温升。所以网络变压器要按 PoE 电流分等级，规格书会标注电流值与测试条件（如 DC bias 下的 OCL）。

PoE 电流的口径

规格书里的电流数字按它自己的定义读，不自行换算，要分清四个口径：单 pair 电流；单 pairset 回路电流——正负 pair 是同一股电流的去与回，不相加；两个 pairset 同时供电的端口合计电流，理想均流下约为单 pairset 的两倍；多端口器件同时满载的整体热限制。"each channel"通常指单个磁性通道的直流平衡电流能力；"full channels"不是 IEEE 术语，指什么须由供应商明确。平衡电流能力不能证明满足最坏不平衡条件，单端口能力也不能外推到整颗多端口器件。

选型看哪几项

官网侧边栏的八项（速率、安装方式、端口数、PIN 脚数、PIN 间距、工作温度、隔离电压、PoE 等级）是筛选入口；最终选型还要按规格书核对匝数比与抽头拓扑、OCL 及其测试条件、插损/回损/CMRR/串扰、直流电阻不平衡、PHY 推荐、同时载流温升、封装引脚与安规。

以两款器件为例，按规格书口径：WHSG50015P0，双口 100/1000BASE-T 贴片式，每端口四路磁性通道，OCL 350 µH Min（100 kHz、0.1 V、8 mA DC bias），1500 VAC，-40～+85 ℃（含自升温），720 mA current capability，规格书标注适用于 IEEE 802.3at；WHSQ24015P1，单口 2.5G/5GBASE-T 贴片式，四路磁性通道，OCL 150 µH Min，1500 VAC，PoE Support 30 W，each channel 720 mA DC balance current。两款明示的都是 802.3at 等级，不能仅凭 720 mA 外推支持 802.3bt，也不能把 720 mA 乘成单端口 1440 mA。

常见误区是拿更高速率档位的器件"向下兼容"：不同档位的 OCL 设计目标不同，低频特性不一定满足百兆/千兆要求，速率档位按 PHY 实际速率选。

4.3 PoE 电源变压器：把 48 V 变成系统能用的电压

PD 控制器放行之后是几十伏直流，系统需要 3.3 V、5 V、12 V 或 24 V，多数设计还要求这一级与网线电气隔离。完成"降压 + 隔离"的是 DC-DC 变换器，PD 最常用隔离反激拓扑，核心器件是 PoE 电源变压器。

图 9 PD 侧电源级：整流桥、PD 控制器与隔离反激变换器（常见方案之一）

反激为什么常见，以及它不是唯一方案

反激用一颗变压器同时完成储能、变压与隔离，外围元件最少。但它不是唯一方案：满足整机浮地条件时可用非隔离 DC-DC，高功率 PD 也可能用有源钳位正激，隔离反馈也不一定用光耦。

变压器要看什么

输入电压范围：PD 端最低输入取决于 PSE 类型、获配 Class、线缆电阻和功率（如 Class 8 约 43.0 V），按具体设计核算。功率参考面：磁件标称功率是设计容量，不等于 PD 负载可用功率；选档要结合控制器、拓扑、频率、匝数比、原边电感、峰值与 RMS 电流、漏感和温升核算，不能只按"PD 可用功率加裕量"。开关频率常见 100–300 kHz。隔离耐压按整机安规确定，爬电距离与电气间隙按安规计算，不由耐压值直接换算。封装按贴片式或插件式选。

VOOHU沃虎 官网 PoE 电源变压器品类页覆盖 EP7 至 EFD25 六种磁芯，5–100 W，输出 3.3–24 V。以三款目录参数为例：WHEP7927，EP7，15 W，12 V/1.25 A；WHEP13779，EP13，25.2 W，12 V/2.1 A；WHEFD25571，EFD25，90 W，24 V/3.75 A。整机能否满足某个 IEEE Class，须结合控制器、拓扑、效率、温升与整机测试判断。

与反激配合的另外两类磁性器件

功率线共模电感：整流桥之后放一颗，把反激的共模开关噪声压在板内。推挽变压器：用于 RS485、CAN 等隔离接口的小功率隔离电源（VOOHU沃虎 WHST06 系列等），与 PoE 主电源变压器是两个品类。

4.4 保护器件：让浪涌走该走的路

图 10 网口保护器件的位置与分工，以及 PoE 机型的特殊点

GDT 动作电压高、响应微秒级、能通过大电流，负责把能量泄放到机壳地；TVS/ESD 响应纳秒级、钳位精确、能量小，负责压残压。两者级联要按浪涌波形、源阻抗、动态击穿/钳位电压、级间协调阻抗与后级绝对最大额定值验证。网络变压器的 1500 Vrms 是介质耐压，不钳位不吸收浪涌；共模电感也不是泄放器件。

PoE 机型有三点特殊。其一，弄清 PoE 电压跨在哪里：它在同一对线的两根导体上是共模的，存在于正电 pair 与负电 pair 之间，不直接跨在同一差分对两线之间。因此数据线保护按 PHY 耐压、钳位电压、寄生电容和目标浪涌等级选；约 58 V 档的 TVS 放在整流后的 PoE 电源轨。其二，对地共模保护结合接地架构设计：GDT、TVS 的击穿或钳位电压要避开线对对地可能出现的电位，不用一个通用值覆盖所有拓扑。其三，寄生电容分开对待：数据线保护器件电容必须小（千兆按 pF 量级核对）；电源轨上的 TVS 电容可以大。

VOOHU沃虎 官网 TVS/ESD 与 GDT 品类页可按工作电压、击穿电压、寄生电容筛选；PoE 解决方案页列有室外防雷 4 kV / 6 kV 标准电路参考，具体器件与测试等级以方案文件与规格书为准。

下期：参考电路与 PCB 布局、常见问题与选型误区、FAQ 与 VOOHU沃虎 产品对应关系。本文示意图均为原理示意，不代表任何具体产品的实际电路；产品参数以官网各型号规格书为准。