一、RJ45接口規范

1、基本物理接口：

a).RJ45接口作為最基本的網(wǎng)絡(luò )接口之一有兩種形式，對于千兆網(wǎng)口有4條線(xiàn)，兩對差分線(xiàn)；對于千兆網(wǎng)口有4對差分線(xiàn)，RJ45水晶頭是有8個(gè)凹槽和8個(gè)觸點(diǎn)（8p8c）的接頭，RJ45接口分為集成網(wǎng)絡(luò )變壓器和非集成網(wǎng)絡(luò )變壓器兩種，具體參見(jiàn)下一小節；

b) RJ11水晶頭一般都是4芯的，常用來(lái)連接電話(huà)和調制解調器。需要注意的是，RJ11通常指的是6個(gè)位置（6針）模塊化的插孔或插頭，但是只有4針被用到，RJ11通常只有6個(gè)凹槽和4個(gè)觸點(diǎn)（6p4c）的接頭；

c) RJ45水晶頭接線(xiàn)時(shí)有兩種線(xiàn)序標準：T-568A和T-568B。通過(guò)采用不同的標準，最后制作成的網(wǎng)線(xiàn)有直通型和交叉型兩種?，F在所有的網(wǎng)線(xiàn)制作都采用的是568B，線(xiàn)序如下(橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕)：

2、網(wǎng)絡(luò )變壓器與RJ45接口

a) 在以太網(wǎng)設備中，通過(guò)PHY芯片(物理層的網(wǎng)絡(luò )轉換芯片)接RJ45時(shí)，中間都會(huì )加一個(gè)網(wǎng)絡(luò )變壓器。有的變壓器中心抽頭接到地。而且接電源時(shí)，電源值又可以不一樣，3.3V，2.5V，1.8V都有。這個(gè)變壓器的作用分析如下：

中間抽頭為什么有些接電源？有些接地？這個(gè)主要是與使用的PHY芯片UTP口驅動(dòng)類(lèi)型決定的，這種驅動(dòng)類(lèi)型有兩種，電壓驅動(dòng)和電流驅動(dòng)。電壓驅動(dòng)的就要接電源；電流驅動(dòng)的就直接接個(gè)電容到地即可！所以對于不同的芯片，中心抽頭的接法，與PHY是有密切關(guān)系的，具體還要參看芯片的datasheet和參考設計了。

為什么接電源時(shí)，又接不同的電壓呢？這個(gè)也是所使用的PHY芯片資料里規定的UTP端口電平?jīng)Q定的。決定的什么電平，就得接相應的電壓了。即如果是2.5v的就上拉到2.5v，如果是3.3v的就上拉到3.3v，因此網(wǎng)絡(luò )變壓器具有適配不同電壓的功能。

這個(gè)變壓器到底是什么作用呢，可不可以不接呢？從理論上來(lái)說(shuō)，是可以不需要接變壓器，直接接到RJ45上，也是能正常工作的。但是呢，傳輸距離就很受限制，而且當接到不同電平網(wǎng)口時(shí)，也會(huì )有影響。而且外部對芯片的干擾也很大。當接了網(wǎng)絡(luò )變壓器后，它主要用于信號電平耦合。其一，可以增強信號，使其傳輸距離更遠；其二，使芯片端與外部隔離，抗干擾能力大大增強，而且對芯片增加了很大的保護作用（如雷擊）；其三，當接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V）的網(wǎng)口時(shí)，不會(huì )對彼此設備造成影響。

b)  網(wǎng)絡(luò )變壓器也被稱(chēng)作“數據汞”，也可稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器。

它在一塊網(wǎng)絡(luò )接口上所起的作用主要有兩個(gè)，一是傳輸數據，它把PHY送出來(lái)的差分信號用差模耦合的線(xiàn)圈耦合濾波以增強信號，并且通過(guò)電磁場(chǎng)的轉換耦合到不同電平的連接網(wǎng)線(xiàn)的另外一端；一是隔離網(wǎng)線(xiàn)連接的不同網(wǎng)絡(luò )設備間的不同電平，以防止不同電壓通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳輸損壞設備。除此而外，數據汞還能對設備起到一定的防雷保護作用。它主要用在網(wǎng)絡(luò )交換機、路由器、網(wǎng)卡、集線(xiàn)器里面，起到信號耦合、高壓隔離、阻抗匹配、電磁干擾抑制等作用。

如上圖中左邊所示為共模扼流圈(CMC:Common Mode Choke)，也叫共模扼制電感，是在一個(gè)閉合磁環(huán)上對稱(chēng)繞制方向相反、匝數相同的線(xiàn)圈。理想的共模扼流圈對L(或N）與E之間的共模干擾具有抑制作用，而對L與N之間存在的差模干擾無(wú)電感抑制作用。但實(shí)際線(xiàn)圈繞制的不完全對稱(chēng)會(huì )導致差模漏電感的產(chǎn)生。信號電流或電源電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)方向相反，產(chǎn)生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現低阻抗。共模噪聲電流（包括地環(huán)路引起的騷擾電流，也處稱(chēng)作縱向電流）流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)方向相同，產(chǎn)生的磁通量同向相加，扼流圈呈現高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。共模電感實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向濾波器：一方面要濾除信號線(xiàn)上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。

 c) 網(wǎng)絡(luò )變壓器PCB設計要點(diǎn)：

• 營(yíng)造一個(gè)無(wú)噪音，電源穩定的環(huán)境；

• 減少EMI、EMC對芯片的影響；

• 簡(jiǎn)單的信號布線(xiàn)，減小走線(xiàn)長(cháng)度；

• 網(wǎng)絡(luò )變壓器靠近以太網(wǎng)口，以太網(wǎng)芯片PHY靠近變壓器；

• 網(wǎng)絡(luò )變壓器的中心抽頭電容放置在引腳的背面；

• 集成變壓器的以太網(wǎng)口需要將除差分信號引腳外的區域挖空，非集成網(wǎng)絡(luò )變壓器的以太網(wǎng)口需要挖空整個(gè)以太網(wǎng)口和網(wǎng)絡(luò )變壓器；

• 非集成網(wǎng)絡(luò )變壓器以太網(wǎng)口，初級差分線(xiàn)可以忽略阻抗要求，線(xiàn)寬根據實(shí)際情況加寬，并保持走線(xiàn)最短，次級差分按照100歐姆阻抗的差分線(xiàn)要求處理；

• 機殼地線(xiàn)走線(xiàn)加粗，一般采用1mm，機殼地與板的邊緣間距要大于等于1mm；

• 變壓器中心抽頭線(xiàn)需要加粗；

• 等長(cháng)要求，TX與TX做等長(cháng)，RX與RX等長(cháng)，組內控制到2.5mil以?xún)?，組間控制在10mil以?xún)龋?/span>

• 對于以太網(wǎng)芯片，TX和RX最好分不同的層走線(xiàn)，如果同層，線(xiàn)間距為4W，以太網(wǎng)芯片發(fā)熱量高，需要增加散熱孔并在背面開(kāi)窗；

• 沿單板PCB網(wǎng)口的邊緣，每隔250mil打一個(gè)接地過(guò)孔，這些過(guò)孔排可以切斷單板噪聲向外輻射的途徑，減小對PGND靜地的影響；

• 注意網(wǎng)口變壓器芯片側中心抽頭對地的濾波電容要盡量靠近變壓器管腳，保證引線(xiàn)最短分布電感最??；

• 要保證電源平面相鄰信號線(xiàn)回流路徑的完整性，否則要改變平面形狀，使信號線(xiàn)處在平面層內，回流路徑的不完整會(huì )帶來(lái)嚴重的EMC問(wèn)題；

     

  d) 網(wǎng)絡(luò )變壓器實(shí)際生產(chǎn)中常測試的基本參數：

      1、開(kāi)路電感(OCL)：Open Circuit Inductance 　　

      2、漏電感：Leakage Inductance，與變壓器耦合系數有關(guān)，(取決于繞線(xiàn)技術(shù)和磁芯)

      3、互繞電容：Interwinding Capacitance。小的話(huà)對于變壓器信號沒(méi)有影響，過(guò)大則為共模電流提供低阻抗路徑，由此會(huì )產(chǎn)生不利效果 　　

      4、直流阻抗：DC Resistance RL1、RL2 　　

      5、變壓器變壓比：Turn Ratio，初級和次級線(xiàn)圈匝數比 　　

      6、插入損耗dB：Insertion Loss=20Xlog(V1/V2)，其中V1為插入變壓器后輸出端的電平，V2是未插變壓器時(shí)輸出端電平。此參量用以衡量插入變壓器后對傳輸信號的影響，越小越好。一般指網(wǎng)絡(luò )變壓器對信號衰減程度與信號頻率之間的關(guān)系曲線(xiàn) 　　

      7、回波損耗dB：Return Loss，衡量插入網(wǎng)絡(luò )變壓器后系統阻抗失配程度與信號頻率之間的關(guān)系曲線(xiàn)Return Loss=20Xlog(Vr/Vi)，其中Vr為反射信號幅度，Vi為入射信號幅度

      8、交越干擾dB：Cross Talk，兩個(gè)單元電路中的一個(gè)單元電路中的信號V1與感應到另一個(gè)單元電路中的信號V2之比值Cross Talk =20Xlog(V2/V1) 　　

      9、共模抑制比dB：CMRR=20Xlog(Vout/Vin)，網(wǎng)絡(luò )變壓器輸入端的共模干擾信號幅度Vin與輸出端的共模干擾信號幅度Vout之比值

      10、隔離電平：Isolation HOT-POT 以上十項都是華強盛在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常常測試的參數，其不同的測試參數分別需要不同的測試儀器進(jìn)行測試。

3、數據在網(wǎng)線(xiàn)上傳輸的方式(參看REF2)：

1、簡(jiǎn)化的數據線(xiàn)傳輸模型：

a) 六類(lèi)雙絞線(xiàn)實(shí)現千兆以太網(wǎng)時(shí)的工作頻率是 250MHz，即每根銅線(xiàn)中的電流一秒鐘都會(huì )改變250 000 000 次，每一次都會(huì )攜帶一個(gè)電壓：我們假設為 -5V 和 0V，代表 0 和 1，那么只需要四根銅線(xiàn)就能夠實(shí)現 1Gbps 的單向帶寬，另外四根用于實(shí)現反向 1Gbps 的帶寬；當然對于具有POE輸出功能的情況下，其輸出的電壓幅度為標準的48V。

b) 超五類(lèi)雙絞線(xiàn)實(shí)現千兆以太網(wǎng)時(shí)只有 125MHz 的頻率，它采用一個(gè)電壓表示兩個(gè)位的方法來(lái)實(shí)現千兆網(wǎng)絡(luò )：即一個(gè)電壓代表 00 或 01 或 10 或 11。我們假設這四個(gè)電壓分別是： -5V -3.5V -2V 0V。這樣每?jì)筛~線(xiàn)合在一起恰好可以實(shí)現 250Mbps 的雙向傳輸（還需要兩端設備支持串擾消除技術(shù)），八根銅線(xiàn)恰好實(shí)現 1Gbps 雙向帶寬。

2.超五類(lèi)雙絞線(xiàn)和六類(lèi)雙絞線(xiàn)比較：

超五類(lèi)雙絞線(xiàn)和六類(lèi)雙絞線(xiàn)雖然都能實(shí)現千兆網(wǎng)絡(luò )，但是我們可以看出兩者是截然不同的兩種技術(shù)：六類(lèi)雙絞線(xiàn)由于本身電氣性能有很大優(yōu)勢，所以需要的設備更簡(jiǎn)單，抗干擾能力更強，而超五類(lèi)可以說(shuō)是“勉強”實(shí)現了千兆網(wǎng)絡(luò )，抗干擾能力差；如果電壓因為電路問(wèn)題或者受到外部干擾而產(chǎn)生了一些變化，很可能導致數據傳輸錯誤導致校驗失敗而引發(fā)重新傳輸，結果就是實(shí)測帶寬無(wú)法達到千兆。有案例遇到過(guò)超五類(lèi)雙絞線(xiàn)因為線(xiàn)材受損導致網(wǎng)絡(luò )連接速度在 1G 和 100M 之間跳躍，最終導致網(wǎng)卡自動(dòng)關(guān)閉的事情。

二、POE網(wǎng)絡(luò )電源基礎

1、POE電源基本概念

POE(Power Over Ethernet)也被稱(chēng)為基于局域網(wǎng)的供電系統(POL，Power Over LAN)或有源以太網(wǎng)，也可以稱(chēng)為以太網(wǎng)供電，這是利用現存標準以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)數據和電功率的最新標準規范，并保持了與現存以太網(wǎng)系統和用戶(hù)的兼容性。

標準的POE電源供電端輸出端口在非屏蔽的雙絞線(xiàn)上輸出44~57V的直流電壓，標準電壓為48V，以及350mA~400mA的直流電，電源由網(wǎng)口差分線(xiàn)載流進(jìn)來(lái)，從網(wǎng)絡(luò )變壓器前端輸出到POE電源轉換電路，從而提供單板上使用的12V的直流電。

功率等級劃分標準：802.af標準PSE端口輸出功率為15.4W，PD接受功率為12.95W，802.3at PSE輸出功率為30W，PD接受功率為25.5W

 2、基本原理如下：

由于進(jìn)入到RJ45接口的差分電壓標準也是按照標準的POE電源輸出標準輸出的，因此在4對差分信號線(xiàn)中，差分電壓都是48V，由于差分數據線(xiàn)上的傳輸速率非常高，因此相當于高頻差分信號，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò )變壓器中心抽頭中獲得一對差分信號，這樣便能夠得到+48V到-48V變化的方波交流電，通過(guò)整流橋即可得到48V的DC直流電，通過(guò)后端的AS1138芯片對電源進(jìn)行變壓、紋波濾除等，最終輸出5V或者12V的POE電源。(POE電源受電端PD選擇的差分線(xiàn)對需要根據電源提供端PSE輸出端的電源分配情況)，網(wǎng)絡(luò )變壓器的輸出耦合端將低電壓的高速數據信號傳輸至PHY物理層網(wǎng)絡(luò )芯片端完成數據的傳輸。

3、POE供電方案：

PoE標準為使用以太網(wǎng)的傳輸電纜輸送直流電到POE兼容的設備定義了兩種方法：

a)中間跨接法(Mid-Span)

使用以太網(wǎng)電纜中沒(méi)有被使用的空閑線(xiàn)對來(lái)傳輸直流電，應用于普通交換機與網(wǎng)絡(luò )終端設備之間，可以通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)給網(wǎng)絡(luò )終端設備供電，Midspan PSE（中跨供電設備）是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電源管理設備，通常和交換機放在一起。它對應每個(gè)端口有兩個(gè)RJ45插孔，一個(gè)用短線(xiàn)連接至交換機，另一個(gè)連接遠端設備。

b)末端跨接法(End-Span)

是在傳輸數據所用的芯線(xiàn)上同時(shí)傳輸直流電,其輸電采用與以太網(wǎng)數據信號不同的頻率。相應的Endpoint PSE（末端供電設備）有支持POE功能的以太網(wǎng)交換機、路由器、集線(xiàn)器或其他網(wǎng)絡(luò )交換設備?？梢灶A見(jiàn)End-Span會(huì )迅速得到推廣，這是由于以太網(wǎng)數據與輸電采用公用線(xiàn)對，因而省去了需要設置獨立輸電的專(zhuān)用線(xiàn)，這對于僅有8芯的電纜和相配套的標準RJ-45插座意義特別重大。

4、TPlink的POE供電設備PSE端：

拆除TPlink的TL-SG1005P的POE設備，基本分為如下若干設備：53.5V-DC直流電源輸入、WAN口數據Data數據轉換中心、POE電壓輸出隔離變壓器(共軛線(xiàn)圈)、POE網(wǎng)絡(luò )接口RJ45-W03(不自帶網(wǎng)絡(luò )變壓器)，其中接口的線(xiàn)序如下圖所示：

通過(guò)萬(wàn)用表短接測試，通電和非通電狀態(tài)下的電壓分配情況：

• 1&2為一組差分線(xiàn)，中間存在連接的電感線(xiàn)圈，因此電阻為零，這也是POE供電線(xiàn)的選擇之一(負極)；

• 3&6作為一組差分線(xiàn)，中間存在電感，是POE供電線(xiàn)之一(正極)；

• 4&5為短接狀態(tài)，這是千兆網(wǎng)傳輸差分線(xiàn)之一；

• 7&8為短接狀態(tài)，也是千兆網(wǎng)傳輸的數據差分線(xiàn)之一；

該TPlink設備使用了TI的TPS23861型號的IEEE 802.3at標準POE-PSE控制器，通過(guò)檢測供電端口電流情況，確定是否對設備進(jìn)行供電，具體典型電路如下：

其中GATE、DRAIN、SEN三個(gè)引腳用來(lái)控制電路的通斷情況，SEN引腳用來(lái)檢測電流情況，GATE用來(lái)控制外部大功率MOS管的通斷特性，DRAIN用來(lái)提供基礎的漏極電壓。在未接入PD設備時(shí)，GATE通過(guò)通斷MOS管來(lái)實(shí)現外部設備的通斷供電，在負載未滿(mǎn)足要求時(shí)，則SEN探測到的基礎電流很小，此時(shí)GATE將不會(huì )處于常開(kāi)狀態(tài)，而當有負載存在是，回流到SEN中的電流就會(huì )很大，此時(shí)芯片檢測到滿(mǎn)足要求的電流將GATE門(mén)處于長(cháng)開(kāi)的狀態(tài)，這樣就實(shí)現了POE設備供電的檢測電路。

5、 PD設備端的電路設計： 

根據前述POE供電方案存在中間跨接法以及末端跨接法兩種方式，對于PD設備應該盡量設計成同時(shí)兼容兩種模式的電源電路：

    如上圖所示，是中間跨接法的電路圖，其中POE的供電方式采用的是直接使用網(wǎng)線(xiàn)雙絞線(xiàn)編號4&5-7&8兩組線(xiàn)來(lái)進(jìn)行供電，供電的方式可以是交流電也可以是直流電，通過(guò)兩組網(wǎng)線(xiàn)直接向PD設備進(jìn)行48V的供電，整流橋的作用就是在于無(wú)論是直流電還是交流電都能保證電路的正常工作，兩組整流橋及DC-DC電路的作用在于兩種供電方式的兼容。壓敏電阻相關(guān)電路用來(lái)防止供電電壓過(guò)大或者雷擊對后端電路造成影響。

下面是末端跨接法POE供電系統圖：

對于千兆網(wǎng)絡(luò )，由于每一個(gè)引腳都需要用來(lái)進(jìn)行數據的傳輸，因此可以采用末端跨接法來(lái)傳輸電源功率，在網(wǎng)絡(luò )變壓器端，通過(guò)共軛線(xiàn)圈的方式耦合高頻數據信號，而低頻電壓電流功率提供則可以直接在中心抽頭上直接獲取，在經(jīng)過(guò)后端的電壓電平轉換電路即可完成電壓的提供。

勘誤01：上圖中要注意變壓器的共模抑制一側應該接在RJ45接口一側，去除雙絞線(xiàn)上高頻共模電壓噪聲，而直流POE供電，共模抑制電路不影響其傳輸。

Notice01：市面上的某些PSE供電設備，使用的是中間跨接的供電方式，因此只有100M網(wǎng)口的網(wǎng)速！需要引起注意！

6、 PoE供電協(xié)商流程

PSE設備上電，PD設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到PSE設備后，PSE與PD就開(kāi)始進(jìn)行供電協(xié)商：

 1、檢測PD：PSE在端口周期性輸出電流受限的小電壓，用以檢測PD設備的存在。如果檢測到特定阻值的電阻，說(shuō)明線(xiàn)纜終端連接著(zhù)支持IEEE 802.3af標準或IEEE 802.3at標準的受電端設備（電阻值在19kΩ～26.5kΩ的特定電阻，通常的小電壓為2.7V～10.1V，檢測周期為2秒）。

2、供電能力協(xié)商即PD設備分類(lèi)過(guò)程：PSE對PD進(jìn)行分類(lèi)，并協(xié)商供電功率。供電能力協(xié)商不僅可以通過(guò)解析PSE與PD發(fā)送的電阻實(shí)現的，還可以通過(guò)鏈路層發(fā)現協(xié)議LLDP（Link Layer Discovery Protocol）協(xié)議發(fā)現和通告供電能力進(jìn)行協(xié)商。

3、開(kāi)始供電：在啟動(dòng)期內(一般小于15μs)，PSE設備開(kāi)始從低電壓向PD設備供電，直至提供48V的直流電壓。

4、正常供電：電壓達到48V之后，PSE為PD設備提供穩定可靠48V的直流電，PD設備功率消耗不超過(guò)PSE最大輸出功率。

5、斷電：供電過(guò)程中，PSE會(huì )不斷監測PD電流輸入，當PD電流消耗下降到最低值以下，或電流激增，例如拔下設備或遇到PD設備功率消耗過(guò)載、短路、超過(guò)PSE的供電負荷等，PSE會(huì )斷開(kāi)電源，并重復檢測過(guò)程。

7、 PoE供電標準

一般將IEEE 802.3af標準對應的供電技術(shù)稱(chēng)為PoE供電，將IEEE 802.3at標準對應的供電技術(shù)稱(chēng)為PoE+供電，將IEEE 802.3bt標準對應的供電技術(shù)稱(chēng)為PoE++供電，也稱(chēng)為4PPoE。三種供電技術(shù)對應的參數如下圖所示。