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PoE白皮书:直流电阻不平衡测试:为您的PoE系统提供简单、低成本的保障

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» 了解PoE和直流电阻不平衡
» 什么导致直流电阻不平衡?
» 直流电阻不平衡的测试
» 使用正确的端接工具提高端接一致性

» 直流环路电阻和直流电阻不平衡对比


        千兆以太网(1000BASE-T)和以太网供电(PoE)最初由IEEE分别于1999年和2003年批准生效,被认为是目前常规的两种网络技术。据估计有85%的已安装布线基础设施支持上述两种技术,并且过去十年间持续激增,目前许多企业正在或计划在水平LAN环境中部署千兆以太网,比以往任何时候都拥有更多的PoE设备。


        10/100BASE-T(即10和100Mbps)应用仅需两对电缆进行传输,这样四对双绞线中为PoE留下两对备用电缆,但千兆以太网需要全部四对电缆用于双向传输。这种情况下,PoE通过同时传输数据和功率来实现供电。
 
        PoE通常被称为幻像电源,通过对四对以太网电缆中的两对线施加共模电压来实现,以不干扰数据传输为前提。但是,PoE连接中的直流电阻不平衡可能导致严重问题。虽然TIA或IEC的性能现场测试中没有相关要求,但IEEE的PoE标准对电阻不平衡进行了规定,进行直流电阻不平衡测试时,现场测试要求将非常有助于确保设备获得所需的功率和数据。随着未来我们向新PoE标准(即IEEE 802.3bt,能够达到100W)迈进,两对线PoE将向四对线PoE过渡。不仅线对内的直流电阻不平衡会造成潜在问题,还需要考虑线对间的直流并联电阻不平衡,这将是另一个潜在问题源。
 

了解PoE和直流电阻不平衡


        针对PoE的IEEE 802.3af标准旨在利用双绞线数据电缆向设备提供远程低压电源。电力由供电设备(PSE)提供,PSE通常是支持PoE的交换机或中跨功率设备。该电力可用于另一端的各种用电设备(PD),包括VoIP电话、无线接入点(WAP)、挂钟、传感器、摄像头、门禁控制面板等。

        最初的IEEE 802.3af标准允许通过两对线传输最大15.4 W(13 W可用)功率,而目前的IEEE 802.3at PoE Plus标准允许的最大功率增加到30 W(25.5 W可用)。最新提出的IEEE 802.3bt PoE Plus Plus标准如获批准,可提供100W功率。PoE Plus是为响应耗电量更高的设备而开发的,如更高功率的无线接入点、云台变焦摄像机、LED显示板等。事实上,由于要求PoE Plus具有更复杂的信号处理能力和满足更高的帧速率需求,因此最新的针对千兆Wi-Fi的802.11ac标准具有更高的功率要求。正在开发之中的PoE Plus Plus可为更多的高耗电设备供电,如多个无线接入点、CCTV摄像头(含PTZ和加热器在内)、LED数据中心照明,以及设想中的更多用途。

        IEEE 802.3af和802.3at标准规定了两种PSE方法:使用四对数据线中的两对线供电,分别为方案A和方案B。在方案B中,利用备用线对1和4来实现供电。这与只使用两对线(线对2和线对3)进行传输的数据信号相兼容,包括10/100BASE-T应用在内。在方案A中,利用线对2和线对3同时实现数据传输和供电,与两对线和四对线应用(包括10/100BASE-T和1000BASE-T)均兼容。

        在方案A中,通过对数据线对施加共模电压来实现供电,利用PD变压器的中心抽头来接收和返回电力,该变压器将电流在线对中的每根导线之间进行分配。线对中两根导线的电阻相等时,直流电阻不平衡(两根导线的电阻差)为零,电流均匀分布,得到共模电流。

        对于IEEE 802.3bt,我们采用基于4线对的系统来提供所需功率。我们仍然有PSE和PD设备,只是现在电流在四对线之间共享。


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        尽管设备允许一些直流电阻不平衡,但过度不平衡会导致变压器饱和,最终可能会造成以太网数据信号波形失真,导致误码、重传甚至数据链路故障。使用四线对PoE系统时,可以允许一些直流电阻不平衡,但如果不平衡过大,PoE将停止运行。
 

什么导致直流电阻不平衡?


        出于各种原因,PoE数据链路中可能出现线对内和线对间直流电阻不平衡。虽然PSE和终端设备都可能出现诸如中心抽头偏置等变压器问题,但直流电阻不平衡更多的是由于工艺不良、端接不一致和电缆质量欠佳造成的。

        长期以来,糟糕的安装实践一直是网络性能问题的关键所在。确保最小弯曲半径和使双绞线尽可能靠近端接点对实现性能参数至关重要,特别是对1000BASE-T和10GBASE-T等更高频率应用来说更是如此。PoE更多地依赖于特定长度电缆的直流电阻,而非高频传输特性,因此有些安装实践很重要。

        单根导线端接的一致性对防止直流电阻不平衡很重要。将每根导线连接到网络插座的正确IDC夹子上,即可刺破导线的绝缘层,露出铜芯并进行连接。

        实践过程中确保连接正确和一致并非总是那么容易。连接导线需要力气,而经验不足、手部疲劳和较大的导线规格都会影响到一致性。传输PoE的线对中的两根导线端接不一致时,可能会发生直流电阻不平衡。使用正确的端接工具有助于提高端接一致性,避免PoE系统中出现直流电阻不平衡(端接工具信息,请参见边栏)。

        由于电缆和连接的整体质量也会对直流电阻不平衡造成影响,因此不仅需要谨慎细致的端接,还需要精密的制造工艺。制造高质量的UTP电缆需要仔细选择铜导线,并使用严格的控制措施来确保电缆具有正确的物理几何形状。劣质电缆的铜导线的直径、同心度(圆度),外观轮廓和光滑度不一致时,PoE系统中出现直流电阻不平衡的风险更高。

        目前业界日益关注的问题之一是存在大量假冒5e类甚至6类电缆的含有铜包铝(CCA)、铜包钢和其他非标导线的电缆。这些电缆可能会吸引那些寻求廉价网络解决方案的客户,但CCA电缆不符合行业标准,不支持PoE应用,因为其直流电阻较高,可能比相同直径的铜缆高出55%之多。电阻升高会导致电缆发热量增加,受电设备的可用电压降低。

        不幸的是,对直流电阻进行测试并不总是足以确定其是否支持PoE,因为有些用于较短链路的CCA电缆会通过直流环路电阻测试。但是无论链路长度如何,由于CCA电缆缺乏导线间的一致性,通常线对上会存在直流电阻不平衡(请参见边栏的直流环路电阻vs.直流电阻不平衡)。还应注意的是,ANSI/TIA和ISO/IEC标准都要求双绞线数据线为100%铜缆。

线对内和线对间的直流电阻不平衡测试


        IEEE标准802.3-2012规定导线间的最大直流电阻不平衡为3%,意味着两根导线之间的直流电阻差不超过线对总直流环路电阻的3%。但是,TIA和IEC标准都不要求现场测量线对内和线对间的直流电阻不平衡。不要求进行现场测试的部分原因是没有现场测试仪具备直流电阻不平衡测试能力,因此只能作为实验室测量进行。DSX-5000CableAnalyzer推出后,情况就不一样了。而且,IEEE 802.3bt标准要求两对线之间的直流电阻不平衡应低于7%或50mΩ(取较大值)。


        直流电阻不平衡测试可验证线对内导线的电阻是否相等,从而确保所需的共模电流能够有效支持PoE,避免同一线对上传输的数据信号发生畸变。不同于仅测试直流环路电阻的其他现场测试仪,DSX-5000不仅测量直流环路电阻,还测量线对内和线对间的直流电阻不平衡。

        如图1所示,DSX-5000测量线对内两根导线的电阻之和,以确定直流环路电阻,而直流电阻不平衡是两根导线之间的电阻差。1、2和4、5线对之间的直流电阻不平衡是这两对线的并联电阻的绝对差。



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Figure 1


        尽管不要求现场测试,但DSX-5000 CableAnalyzer可以配置为含有用于通道或永久链路测量的直流电阻不平衡测试限值;如表1所示。


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        如果您正在测量永久链路或通道,则DSX-5000会根据所选的测试限值判断测量是否合格/不合格 (PASS/FAIL),如图2所示。如果您发现PoE问题,希望将布线排除在问题原因之外,并确信新安装的布线不仅可以传输数据,还支持PoE,那么这将是非常有用的信息。

        由于现场测试标准是最低限度的测试要求,因此应考虑将直流电阻不平衡测试纳入至扩展的现场测试要求,以帮助应对CCA电缆相关问题,并为满足IEEE强制的PoE要求提供更有力的保证。

        随着越来越多的企业实体部署多种千兆以太网技术和更多的PoE设备(采用数据和功率同时传输方案),线对内和线对间的直流电阻不平衡测试将变得更加重要。随着PoE Plus部署持续增长,特别是随着802.11ac WAP的增加,直流电阻不平衡将受到更多关注,因为导线上流通的电流越05.jpg



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图2.


大,PoE越容易受直流电阻和电阻不平衡的影响。PoEPlus Plus即将推出,为需要高达60瓦的设备提供更高功率。

        请不要让您的PoE系统悬而未决。利用DSX-5000进行要求的直流电阻不平衡测试,对于当前和未来的PoE系统来说,都是简单、低成本的保障。


使用正确的端接工具提高端接一致性


        使用正确的端接工具有助于提高端接一致性,避免PoE系统中出现直流电阻不平衡。用于端接电信电缆的打线工具分为三种类型:手动工具、冲击工具和多线工具。手动打线工具需要人工施力,可能造成线对内两根导线之间出现较严重的不一致性。每次在每根导线上均使用完全相同的力度是非常困难的,尤其当手部疲劳时。


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        需要较小力量的打线工具是安装人员的更好选择,但这些工具仍然可能导致导线间端接不一致。确保端接一致性的最佳选择是多线工具,例如JackRapid,可以通过一次挤压端接所有线对,从而向所有导线施加相同的力。与使用单线打线工具相比,多线工具还能减轻手部疲劳并显著缩短安装时间,端接插座的速度可提高八倍。更快,更可靠和一致性更高的端接可减少返工,降低高达80%的成本。


直流环路电阻和直流电阻不平衡对比


        对于直流环路电阻与直流电阻不平衡之间的差异经常存在混淆。提供一定功率的能力取决于特定长度电缆的总直流环路电阻。直流环路电阻是线对中两根导线的直流电阻之和。根据IEEE标准,线对的通道直流环路电阻应小于(或等于)25Ω,而永久链路直流环路电阻应小于(或等于)21Ω。

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