PoE 標準

目前主要的 PoE 標準有 3:

  • IEEE 802.3af-2003 函蓋 Type 1 設備.
  • IEEE 802.3at-2009 函蓋 Type 1 及 Type 2 設備.
  • IEEE 802.3bt-2018 函蓋 Type 1 至 Type 4 設備.

最新的標準 IEEE 802.3bt 向下相容 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 標準.

PoE 專有名詞

  • PSE: Power Sourcing Equipment 的縮寫. 中文翻譯為 "電力供應設備" 或 "供電設備".
  • PD: Powered Device 的縮寫. 中文翻譯為 "受電設備" 或 "受電裝置".
  • endspan 模式為 PSE (一般是指 Ethernet PoE 交換器) 的電力直接連接到 PD.
  • midspan 模式為未支援標準 PoE 的設備 (一般的 Ethernet 交換器/一般的受電裝置) 之間的介接方法.
    • 非標準 PSE 外加 Power Injector (電力注入設備) 轉變為符合標準的 PSE.
    • 接入非標準 PD 之前則加入 Power Spliter (電力分離設備) 分離出符合用電設備需求的電力.
  • Mode A: 使用 RJ-45 的 1-2 Pin, 3-6 Pin 傳輸電力. 即與 10BASE-T, 100BASE-TX 的資料傳輸共用傳輸線.
  • Mode B: 使用 RJ-45 的 4-5 Pin, 7-8 Pin 傳輸電力.
PSE/PD Class
屬性\標準 802.3bt
Type1 Type2 Type3 Type4
Power Class Class 1 Class 2 Class 3 Class 4 Class 5 Class 6 Class 7 Class 8
供電端 PSE 4W 7W 15.4W 30W 45W 60W 75W 90W
電力線
對數		 Type 1&2 PSE 只用 2 對絞線 N.A.
Type 3&4 PSE 2 對絞線 或 4 對絞線 必需 4 對絞線全用
受電端 PD 3.84W 6.49W 12.95W 25.5W 40W 51W 62W 71.3W
PoE 各版本的屬性比較
屬性\標準 IEEE 802.3bt
802.3af,
802.3at Type 1		 802.3at Type 2 802.3bt Type 3 802.3bt Type 4
別稱 PoE PoE+ PoE++ 4PPoE
受電端 12.95W 25.5W 51W 71.3W
供電端 15.4W 30W 60W 90W(註一)
受電端電壓 37.0–57.0 V 42.5–57.0 V 42.5–57.0 V 41.1–57.0 V
供電端電壓 44.0–57.0 V 50.0–57.0 V 50.0–57.0 V 52.0–57.0 V
最大電流 350 mA 600 mA 600 mA 每對絞線 960 mA 每對絞線
最大傳輸線
阻抗		 20 Ω
(cat.3 傳輸線)		 12.5 Ω
(cat.５ 傳輸線)		 12.5 Ω 12.5 Ω
支援傳輸線 Cat. 3, Cat. 5 Cat. 5 Cat. 5 Cat. 5
支援模式 Mode A (endspan),
Mode B (midspan)		 Mode A, Mode B Mode A, Mode B,
4-pair Mode		 4-pair Mode 強制
PoE 接口引腳(註二, 註三)
交換器
接口引腳		 TIA 568A 色碼TIA 568B 色碼 10/100, 模式 B,
獨立電源引腳		 10/100, 模式 A,
資料+電源		 1000, 模式 B,
雙向資料+電源		 1000, 模式 A,
雙向資料+電源		 1000, 模式 A+B (4PPoE),
雙向資料+電源
Pin 1 白綠白橙 Rx+ Rx+DC+ TxRx A+ TxRx A+DC+ TxRx A+DC+
Pin 2 綠橙 Rx− Rx−DC+ TxRx A− TxRx A−DC+ TxRx A−DC+
Pin 3 白橙白綠 Tx+ Tx+DC− TxRx B+ TxRx B+DC− TxRx B+DC−
Pin 4 藍 DC+ 未使用 TxRx C+DC+ TxRx C+ TxRx C+DC+
Pin 5 白藍 DC+ 未使用 TxRx C−DC+ TxRx C− TxRx C−DC+
Pin 6 橙綠 Tx− Tx−DC− TxRx B− TxRx B−DC− TxRx B−DC−
Pin 7 白棕 DC− 未使用 TxRx D+DC− TxRx D+ TxRx D+DC−
Pin 8 棕 DC− 未使用 TxRx D−DC− TxRx D− TxRx D−DC−

註一: 此一數據有諸多版本: 英文版維基為 90W; 中文版維基為 99.9W (<100W); 也有文件用的是由電流量推算得出的 96W.

註二: IEEE PoE 標準允許 PSE 自行定義電力接腳的極性. Mode A 使用的 1-2 Pin, 3-6 Pin 為一組, Mode B 使用的 4-5 Pin, 7-8 Pin 為另一組. 因此上表標註的 DC+/− 極性並非對應到電源真正的正極/負極. 所以 PD 端必需使用橋式整流 (使用二極體或 actively controlled 場效電晶體) 將上列標註的 DC+/− 極轉為電源真正的正極/負極, 如電路圖 (圖 7) 所示. 極性組合如下圖所示:

另外你注意到了嗎, 圖 7 中 PSE 端提供的是電信類設備慣用的負電壓直流電?

PSE Power Supply Polarity

PSE 電源極性 (來源: Ethernet Alliance)

註三: 關於上表中的交換器接口引腳編號及纜線色碼:

MDI 是 Medium Dependent Interface 的縮寫, MDI-X 則是 Medium Dependent Interface Crossover 的縮寫. 規範的是 Ethernet 10 Base-T 及 100 Base-Tx 實體層 RJ45 接口引腳的排列順序.

在沒有 Auto MDI 的年代, NIC (Network Interface Card) 的接口引腳使用的是 MDI 規範 (1-2 Pin 為 Tx+/Tx-, 3-6 Pin 是 Rx+/Rx-), 一般 Ethernet Switch/Hub 的接口引腳則是使用 MDI-X 規範 (1-2 Pin 為 Rx+/Rx-, 3-6 Pin 是 Tx+/Tx-). 部份 Ethernet Switch/Hub 還會提供一個 Uplink 接口, 此時它用的則是 MDI 規範. Uplink 接口大部份是和某一個接口共用實體接線, 少部份是額外的接口.

MDI 接口和 MDI-X 接口之間使用直通纜線即可, 而 MDI 接口對接 MDI 接口 (NIC 與 NIC 之間) 或者 MDI-X 接口對接 MDI-X 接口 (Switch/Hub 與 Switch/Hub 之間) 則是使用 Crossover 纜線. 常用的直通纜線二端用的都是 TIA-568B 的色碼 (習慣上不用二端都 TIA-568A 色碼的纜線). Crossover 纜線則是 TIA-568A, TIA-568B 各一端.

auto MDI 的發明 (通常 Switch/Hub, Router 等設備會具備 auto MDI, NIC 則不會有 auto MDI) 使得我們只需準備直通纜線即可.

Gigabit 及更快的 Ethernet 由於同時使用了 4 對傳輸線, 故不再需要 Corssover 纜線. 不過用了也無妨, 一般 Ethernet Switch 是可以自動辨識的.

Ethernet MDI to MDIX

用於10BASE-T的直通式 MDI 到 MDI-X 連接
(來源: 維基百科)

Ethernet MDI crossover

使用乙太網路交叉電纜完成的 MDI 到 MDI 連接
(來源: 維基百科)

Raspberry Pi 的 PoE

Raspberry Pi 自 Pi 3B+ 開始支援 PoE, Pi 3B+ 及 Pi 4B 在 40 Pin GPIO 接腳 (J8) 的右下側有一組 4 Pin 的接腳 (J14). Pi 5 的 PoE 接腳下移到 Ethernet RJ45 母座後面, 螺絲孔的上方. 如下 3 張圖片:

PoE 的 PD 裝置取電電路通常需要經由 PoE Pulse Transformer (多了中心抽頭) 而不是一般傳統 Ethernet Transformer, 如下圖的右側:

Jumpstarting 802.3bt PoE++

802.3bt PSE/PD 電源/資料 混合/分離電路 (來源: Analog Devices 公司 Blog)

以下是 Raspberry Pi 官方公布的簡化版電路圖:

Raspberry Pi PoE Circuit

Pi 4B 官方公布的 PoE 部份簡化版電路圖
(來源: Raspberry 官方網站)

經查閱上述電路圖, 我截取了 Pi 4B 的 Ethernet 及 PoE 部份的電路圖 (如上圖), 其中 J10 就是 Ethernet 的 RJ45 接頭母座. 由此我們知道 PD 設備取電電路中所需的 PoE Pulse Transformer 已經包含在 Raspberry Pi 所使用的零件內了. 同時由 PoE 電路圖得知 J14 的:

  • Pin2: TR0_TAP 由 RJ-45 Pin1, Pin2 產出.
  • Pin1: TR1_TAP 由 RJ-45 Pin3, Pin6 產出.
  • Pin4: TR2_TAP 由 RJ-45 Pin4, Pin5 產出.
  • Pin3: TR3_TAP 由 RJ-45 Pin7, Pin8 產出.
正確的 J14 PoE

Raspberry Pi 4B J14 正確的接腳編號 (RJ45 纜線色碼改為 TIA-568B)
(Raspberry Pi 4B 底圖來自 Just Enough Raspberry Pi)

請注意: J14 和 J8 方向不同. J8 (40 Pin 的 GPIO) 是橫放的 (參照上圖), Pin1 在 J8 的左下角, J14 則順時針轉了 90°, 為直放, Pin1 在 J14 的左上角. Pi 3B+, Pi 4B, Pi 5 都一樣喔. 也是因為它 (J14) 只有 4 Pin 所以容易混淆. 所以下圖 (各位可以在網路上 Google 到) 的接腳編號是錯的 (或者說把背景的 Pi 4B 逆時針轉 90°, 讓 Ethernet 接頭母座向右, 這樣圖就都對了).

這張圖左側的接腳編號錯了: 底圖 Pi 4B 轉了 90°
(來源: di-marco.net, circuit digest)

後續的實作

實作的部份可以大致上分成二類,

  • 第一類是自己 DIY 自用的, 也就可以怎麼簡單怎麼來 (有興趣可以參考 A Poor Man’s Raspberry Pi PoE HAT that You can Build on Your Own): 使用 PoE 接口引腳表 (表2) 中的 "10/100, Mode B, 獨立電源引腳" 模式 (即所謂的 midspan 模式, 也就是自製 PoE Injector 和 Spliter). 自己外加 12V DC 電源到 10/100 BaseTx Ethernet 沒有使用的 Pin4-Pin5 (作為 DC+), Pin7-Pin8 (作為 DC−). 接到 Raspberry Pi 後再用 12V 轉 5V 的 DC-DC Converter 產生所需要的 5V DC 電源. 不用說便宜是最大的好處; 缺點是: Ethernet Port 只能跑 10/100 BaseTx, Gigabit 跑不了; 不小心容易把 Pi 給燒了; 還有不合 IEEE 規範, 一些電氣安全上的設計也要自己來...
    其實要自己 DIY 一個可以跑 Gigabit 的 PoE HAT 也是辦得到的, 只是成本 (電路板, 零件...) 比較高.
  • 第二類是符合 IEEE PoE 標準的: 這種比較複雜, 除了必要的二組橋式整流器(註四)以及 DC-DC Convert 晶片之外, 還需要 PoE 的 PD 控制晶片 (用來與供電設備協議/辨識受電裝置支援的協定及用電等級, 再開啟供電開關). 好處是: 符合規範, 用電安全有保障; 要把 Ethernet Switch 的接口和 Raspberry Pi 燒掉比較難; 當然缺點是花錢: Raspberry Pi 的 PoE Hat 要花錢, PoE Switch 也要花錢.

註四: 這個部件可能會很燙, 尤其是當 PD 的電力需求很大時. 雖然規範可以供電高達 90W, 但當 PSE/PD 真的以如此高的瓦數工作時, 你的機房就應該注意散熱了. 你所採買的 PD 也要注意是否設計了足夠的散熱, 還有 PD 的安裝環境也要注意. 就像單台 PC server 不會積蓄太多熱量, 但是一但進級到使用刀鋒伺服器 (blade server) 時, 你就要注意整套刀鋒伺服器所積蓄的熱量了.

參考文件

一般文件

技術文件