PoE供电中功率损耗问题

Posted 2021-01-27

PoE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，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。
一个完整的PoE系统包括供电端设备和受电端设备两部分。
供电端设备(PSE)：支持POE功能的以太网交换机、路由器、集线器或者其他网络交换设备。
受电端设备(PD)：在监控系统中主要就是网络摄像机(IPC)
2003年设立的国际标准IEEE802.3af要求PSE能达到15.4W的输出功率，而到达受电设备的功率是12.95W，电源损耗为2.45W 。2009年设立的国际标准IEEE802.3at则要求PSE能达到30W的输出功率，到达受电设备的功率是25.5W，电源损耗为4.5W。随着时间的推移这两种标准的功率已经不能满足现在新的更大功率的PD的供电要求。因此最新的国际标准IEEE802.3bt有两种要求，其中一种是要求PSE能达到60W的输出功率，到达受电设备的功率是51W，电源损耗为9W。另一种则要求PSE能达到100W的输出功率，到达受电设备的功率是71W，电源损耗则为29W。
由上面的标准可以知道随着供电功率的增大，功率的损耗并不是按照供电功率成比例的损耗，而是损耗越来越大，那么究竟PSE在实际应用中的损耗怎样才能计算出来呢?
那么我们先看一下初中物理对导线功率的损耗是怎么计算的。
焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式：Q=I2Rt（适用于所有电路）其中的Q就是损耗的功率P,I是电流，R是电阻，t是时间。在实际使用中由于PSE和PD是同时工作的，所以损耗和时间无关。得出结论就是在POE系统中网线的损耗功率与电流的二次方成正比，与电阻的大小成正比。简单来说为了减少网线的功耗我们要尽量使导线的电流变小，让网线的电阻变小。其中电流变小的意义特别重要。
那么我们来看一看国际标准的各个具体参数是多少，在IEEE802.3af标准中网线的电阻是20?,要求的PSE输出电压是44V电流是0.35A,损耗功率P=0.350.3520=2.45.同理在IEEE802.3at标准中网线的电阻是12.5?,要求的电压是50V电流是0.6A,损耗功率P=0.60.612.5=4.5.这两种标准使用这种计算方法都没有问题。但是当到了IEEE802.3bt标准的时候就不能这样计算了，如果电压是50V要达到60W的功率必须要1.2A电流，此时损耗功率为P=1.21.212.5=18W,显然这样到达PD的功率只有42W。与实际要求达到的51W少了了9W的电能。那么到底是什么原因导致计算错误，仔细观察一下原来IEEE802.3bt标准中的电流仍然是0.6A，再看供电的双绞线可知，是用的四对双绞线供电（IEEE802.3af，IEEE802.3at是用两对双绞线供电）这样一来就可以把这种方式看做并联电路，整个电路电流是1.2A,但总的损耗是两对双绞线供电时损耗的两倍，所以损耗P=0.60.612.52=9W,相对于2对双绞线来说这种供电方式节省了9W的电能，所以使得供PSE在输出功率只有60W的情况下使得PD设备接收到的功率能够达到51W。同理IEEE802.3bt的另一种标准是这样计算损耗功率的P=0.960.9612.52=23.04W。此时的功率损耗已经超过PSE的20%，即使在使用4对双绞线这种损耗仍然是非常大的。所以之后更大功率的标准已经不能再通过这种方式来提高PD接收到的功率。
因此我们在选用PSE设备的时候一定要注意尽量减小电流，增大电压，否则容易导致电能损耗过大，单从PSE设备的功率感觉是可以用的，但到实际中是不可用的。例如某个PD设备需要12V 12.95W才能使用，如果使用12V2A的PSE,输出功率为24W在实际使用中，当电流为1A时损耗P=1120=20W.当电流为2A时损耗P=2220=80W此时电流越大损耗越大，显然此PD设备无法接收到PSE输送的电能。
当然以上所说的是当供电距离为100米时网线的电阻，这是最大供电距离下的可用功率，但如果实际使用时的供电距离比较小，比如只有10米，那么电阻就只有2?，相应的损耗就只有100米的10%的损耗，所以选用PSE设备的时候充分考虑到实际使用的情况也是很重要的。
超五类双绞线各种材质网线100米的电阻
1.铜包钢网线：75-100?
2.铜包铝网线：24-28?
3.铜包银网线：15?
4.铜包铜网线：42?
5.无氧铜网线：9.5?