PoE 工作原理到 PD 端电路结构简析

随着安防监控、工业 IoT 及 5G 微基站的部署，PoE（以太网供电）技术已成为现代网络架构的标配。本文将深度解析 PoE 的工作原理、PD 端核心电路结构、IEEE 802.3 标准演进，并重点探讨在工程实践中如何通过 TVS、GDT 等器件构建高可靠性的浪涌防护方案。

一、什么是 PoE 供电技术？

PoE（Power over Ethernet）技术允许在现有的 Category 5/6 (Cat5/Cat6) 以太网布线基础上，在传输数据的同时，为终端设备提供稳定的直流电源。

对于工程设计而言，PoE 不仅仅是“省掉一根电源线”，它更是一套智能的电力分配协议，能够在复杂的布线环境中实现分布式供电与远程管理。

在硬件选型前，理解不同标准的功率限制至关重要。随着技术演进，PoE 支持的功率已从最初的 15.4W 提升至 90W 以上。

PoE 系统并非单纯的电源输出，而是一套严密的闭环控制过程。为了确保安全性，系统必须完成以下握手逻辑：

PSE 通过输出 $2.7V \sim 10.1V$ 的探测电压，检测 PD 端是否呈现约 $24.9k\Omega$ 的特征电阻。

PSE 提升电压至 $14.5V \sim 20.5V$，测量 PD 的电流反馈，从而确定其 Class 等级。这决定了 PSE 需要预留多少功率资源。

一旦分类完成，PSE 迅速将电压升至约 48V（典型工作范围为 44V $\sim$ 57V）。在 bt 标准下，电压范围可能更宽，以补偿大功率下的线损。

PSE 会持续监测 PD 的电流状态。若 PD 离线或功耗低于维持阈值，PSE 将在 300-400ms 内切断输出，返回检测阶段，防止误插非 PoE 设备造成损坏。

一个高性能、符合工程标准的 PD 接口电路通常由以下模块化路径组成：

RJ45 是瞬态干扰侵入的第一道关口。**磁性器件（网络变压器）**不仅负责信号耦合与隔离，还通过中心抽头（Center Tap）结构实现供电电流的注入与抽取。

注意： 变压器必须具备足够的直流偏置能力，防止供电电流导致磁芯饱和，从而劣化数据通信质量。

由于线缆可能存在 Mode A（信号线对供电）或 Mode B（空闲线对供电）两种模式，且极性可能反接，PD 必须配置整流桥。

优化建议： 在 802.3bt 等大功率设计中，建议使用 Active Bridge（有源整流桥/MOSFET 桥） 代替传统二极管桥，以降低热耗损和压降。

这是电路的核心枢纽，用于响应 PSE 发起的检测与分类过程，并在合规条件下完成供电通路管理（Inrush Current Limit）和欠压锁定（UVLO）。

PoE 输入通常为高压（约 48V），后端主控需 3.3V 或 5V 电压。设计中通常采用**隔离型反激（Flyback）或有源钳位正激（Active Clamp Forward）**拓扑，以满足以太网标准的隔离要求（通常为 1500Vrms）。

由于 PoE 设备往往面临长距离布线，极易感应雷击浪涌或受到热插拔瞬态过压的影响。

主要保护后级的整流桥和 PD 控制器。

主要保护变压器的绝缘层及后端电路不被击穿。

方案： 在户外或长距离布线场景下，应引入 GDT（陶瓷气体放电管）。通过中心抽头或线对对地放置 GDT，将大能量浪涌泄放到大地。
工程细节： 建议结合接地与 PCB 布局设计，确保机壳地（Chassis Ground）与信号地（GND）之间有足够的爬电距离（通常建议 $\ge 2mm$）。