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以太网供电

在以太网双绞线同时传输数据和电力的技术
提示：此条目页的主题不是電力線通信或PLC。

以太网供电（Power over Ethernet，簡稱PoE）也称PoE供电，是一种可以在乙太網路中透過雙絞線來傳輸電力與資料到裝置上的多种标准化技术或自有标准技术。它允许只通过一根以太网双绞线就能为无线接入点（WAP）、网络摄像头、VoIP电话同时提供电力供应和数据传输。

一個由PoE分線器供電的無線網路基地台

现时有多套技术标准用于实现在双绞线上同时传输电力和数据，其中有三种于2003年已经被电气电子工程师学会（IEEE）标准化入IEEE 802.3中，分别称为模式A、模式B、4PPoE。对于10BASE-T和100BASE-TX，这些技术只使用到CAT5类双绞线4对线中的两对。

模式B方案，是将电力传输和数据传输的线路分开，使其容易排查故障，并且充分利用四对双绞线线路，将正电压加载在引脚4、5上，负电压加载在引脚7、8上。

模式A方案，在双绞线以太网（10Mbps）和快速以太网（100Mbps）中，是将传输的电力同时负载在数据传输的线对中，类似于通常用于为电容式麦克风供电的幻象电源技术。通过向每对线施加共模电压，在数据导体上同时传输电力，由于双绞线以太网是通过差分信号传输的，所以不会干扰到数据的传输。使用标准以太网脉冲变压器的中心抽头就可以轻松提取共模电压。对于吉比特以太网（1Gbps）和10吉比特以太网（10Gbps），由于四对线路都需要用于传输数据，模式A和模式B都需要将传输的电力同时加载在传输数据的线路上。

4PPoE方案会使用四对双绞线全部线路来传输电力，能为平移-倾斜-变焦相机（英语：Pan–tilt–zoom camera）、高性能的无线接入点、乃至笔记本电脑电池提供更强劲的供电。

除了上述三种方案外，IEEE还提供一套信令标准用于识别电源设备（PSE）和受电设备（PD），这些信令能够允许电源设备检测到符合的受电设备的存在，并允许受电设备和电源设备协商所需或可用的电量。

标准制定

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四对、两对双绞线以太网

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最初的PoE标准IEEE 802.3af-2003[1]能提供每个接口最高15.4W的直流电功率（最小提供44V、350mA的直流电源）[2][3][4]。由于电缆有传输损耗，受电设备最多能获得12.95W的功率。[5]升级的IEEE 802.3at-2009[6]（也被称为PoE+ 或 PoE plus）能为类型2的设备最高提供25.5W的功率。[7]2009年还禁止设备使用四对线路来获得电力。[8]这些标准也被整合到IEEE 802.3-2012版的标准发行物中。[9]

IEEE 802.3bt-2018（也被称为PoE++或4PPoE）扩展了IEEE 802.3at的能力。这个标准提供了两种不同的供电类型：对于类型3设备提供最高51W的功率，和对于类型4设备提供最高71.3W的功率。每对双绞线最高能提供600mA（类型3）或960mA（类型4）的电流。[10]另外，该标准也包含对 2.5GBASE-T、5GBASE-T 、10GBASE-T的供电支持。[11] 这个新特性为新应用领域打开了大门，扩大了高性能无线接入点和监控摄像头等应用的使用范围。

单对双绞线以太网

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IEEE 802.3bu-2016[12]，也被称为单对线Power over Data Lines（PoDL），主要在100BASE-T1和1000BASE-T1标准，也就是一对双绞线的以太网版本提供数据传输和电力供应的版本修改。[13]四对、两对双绞线的版本中，负责提供电力的线路负载上相同的电压，没有用于传输数据的差分电压差。而在单对双绞线版本中，供应电力的电压同时负载在传输数据的线路上，能提供10级供电类型，能对受电设备提供从0.5到10W的电力功率。

之后，PoDL还增加10BASE-T1[14]、2.5BASE-T1、5GBASE-T1、10GBASE-T1的支持[15]，到2021年，对于供电功率类型增加至15级。[14]

用途

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PoE的应用场景包括：[16]

  • VoIP电话
  • 网络摄像头（包括带电动云台）
  • 无线接入点
  • IPTV解码器
  • 网络路由器
  • 安装在远端房间的小型网络交换机，用于一个上端链路向下提供一组以太网接口。这些交换机作为受电设备可以从上端PoE链路获得电力，或者作为中继继续为下端的以太网受电设备提供电力。
  • 公共广播系统的远端对讲机或广播扬声器
  • 通过NTP获得授时的挂钟
  • 无线ISP使用的带有集成天线、4G/LTE、802.11 或 802.16 无线 CPE（客户端设备）的室外屋顶安装无线电天线
  • 室外点对点微波和毫米波无线电以及一些通常具有专用PoE的自由空间光学通信（FSO）单元
  • 包括传感器、控制器、仪表等的工业控制系统组件
  • 包括求助点、对讲机、门禁卡、无钥匙进入设备等的访问控制装置
  • 智能灯光控制系统和发光二极管照明灯具[17]
  • 舞台和剧院设备，例如网络音频分线盒和路由盒
  • 远程POS终端
  • 安防和监控系统[18]
  • 内联以太网扩展器[19]
  • 通过PoE分离器提供单独的供电电源，可以用于单独给一个远程设备供电或者给手机充电。[20]
  •  
    一个使用PoE供电的网络摄像头
  •  
    安装在阿联酋的 CableFree FOR3 微波链路，通过PoE高性能供电的全户外无线电天线。
  •  
    Cisco 7906 VoIP电话，支持PoE

术语

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供电设备（Power sourcing equipment， PSE），就是负责在以太网线缆上提供电源的设备。这个设备可能是一台网络交换机，通称endspan（IEEE 802.3标准中称其为endpoint），也可能是一个不支持PoE的网络交换机到另一台PoE设备之间的中间装置，例如PoE注入器，通称为midspan设备。

受电设备（Powered device，PD）指任何由PoE供电的设备，这些受电设备通常还附带一个可选的外部电源供电接口，根据设计，设备可以完全不用、部分、或者全部由这个供电接口获得电力，[21][22]有时候也会作为一个设备供电的后备，以防止PoE供电出现故障。

电源管理功能和集成

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PoE的倡导者希望PoE能够成为全球长远的直流电源布线标准，并取代大量难以集中管理的单独交流适配器。[23]相应批评者认为，PoE的供电电压太低，实际上比单纯的直流电源适配器效率更差，尤其是以太网双绞线的细长导体会导致这样的损耗。以太网联盟（英语：Ethernet Alliance）等PoE的倡导者指出，所引用的损耗是针对受电设备的电缆质量、长度和功耗方面的最坏情况。[24]在任何情况下，如果中央PoE电源取代了专用的交流电路、变压器和逆变器，这些布线中的功率损耗是合理的。

集成高效能以太网和PoE

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PoE和IEEE 802.3az高能效以太网（Energy-Efficient Ethernet，EEE）的集成可能会产生额外的节能效果，EEE 和 PoE的预标准集成（例如：Marvell在 2011 年 5月的白皮书中概述的EEPoE）声称每条链路可节省高达3W 的功率。 随着更高功率的设备上线，这种节省尤其重要。[25]

标准实现

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基于标准的以太网供电是按照 IEEE 802.3af-2003（后来作为第 33 条并入 IEEE 802.3-2005）或 2009 年更新的 IEEE 802.3at 中的规范实施的。 标准要求使用CAT-5双绞线以获得更高的功率水平，但如果只需要较低的功率，则允许使用CAT-3双绞线。[26]

电源作为共模信号通过以太网电缆中的两个或多个差分线对提供，并且来自支持PoE的网络设备（例如以太网交换机）内的电源，或者可以在电缆中使用PoE注入器作为附加的PoE电源，与非PoE交换机结合使用。

幻象电源技术允许线路供电的同时也能承载数据传输。这不止允许不仅可以用于 10BASE-T 和 100BASE-TX（线缆中四对线路中只用其中两对），也可以用于1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T和10GBASE-T，这些规格会使用线缆全部四对线路进行数据传输。因为所有版本的双绞线以太网都规定了每对线路带有变压器耦合的差分数据传输，直流电源和负载可以连接到变压器两端的中心抽头，因此，每一对作为直流电源的一侧以共模方式工作，因此需要两对来完成电路。直流电源的极性可以通过交叉电缆反转，受电设备必须使用任一对运行：备用对 4-5和7-8，或数据对 1-2 和 3-6。极性由备用对的标准定义，并通过使用二极管电桥对数据线进行模糊的实现。

PoE各标准的参数对比
属性 802.3af （802.3at Type 1）, PoE 802.3at Type 2, PoE+ 802.3bt Type 3, 4PPoE[27] or PoE++ 802.3bt Type 4, 4PPoE or PoE++
受电设备最大获得功率[note 1] 12.95 W 25.50 W 51 W 71.3 W
电源设备最大输电功率 15.40 W 30.0 W 60 W 99.9 W[note 2]
电源设备电压范围 44.0–57.0 V[28] 50.0–57.0 V[28] 50.0–57.0 V 52.0–57.0 V
受电设备电压范围 37.0–57.0 V[29] 42.5–57.0 V[29] 42.5–57.0 V[30] 41.1–57.0 V
最大电流 350 mA[31] 600 mA[31] 每对线600 mA[30] 每对线960 mA[30]
每对线最大电阻 20 Ω[32] (CAT-3) 12.5 Ω[32]（CAT-5） 12.5 Ω[30] 12.5 Ω[30]
电源管理 通过信号协商的三个功率等级（1-3） 通过信号协商的四个功率等级（1-4） ，或以0.1 W步长由LLDP协商 通过信号协商的六个功率等级（1-6） ，或以0.1 W步长由LLDP协商[33] 通过信号协商的八个功率等级（1-8） ，或以0.1 W步长由LLDP协商
最大电缆环境工作温度降额 无 5 °C（9 °F），一对线启用时 10 °C（20 °F），超过一半的成束电缆对处于最大电流[34] 10 °C（20 °F） ，需要温度控制
支持线材 CAT-3、CAT-5[35] CAT-5[35][note 3] CAT-5 CAT-5
支持模式 模式A（endspan）、模式B （midspan） 模式A、模式B 模式A、模式B、4-pair Mode 强制4-pair Mode

注：

  1. ^ 大部分開關模式電源会有10%~25%的功率以热量损失。
  2. ^ ISO/IEC 60950 安全超低电压（SELV）标准将每个端口的功率限制为 100 W（类似于美国 NEC 2 类电路）。
  3. ^ 更严格的电缆规格允许假设更大的载流能力和更低的电阻（CAT-3为 20.0 Ω，CAT-5为12.5 Ω）。

为设备供电

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模式A在10BASE-T、100BASE-TX模式使用数据对来供电；模式B则是使用备用对来供电；4PPoE模式下则使用全部四对线路来供电。PoE在使用全部四对线路进行数据传输，没有备用对的1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T、10GBASE-T模式依然可以供电，是基于使用了幻象电源技术。

模式A有对于MDI和MDI-X有两套配置模式，使用相同的线对但对应不同的极向。其中线1和线2（T568B线缆的2号线对）对应48V直流电的一极，而线3和线6（T568B线缆的3号线对）对应另一极。10BASE-T和100BASE-TX都会使用这两个线对来传输数据，而且也可以单独只用于提供电力。自由极性支持交叉线、直通线和自动MDI-X功能。

模式B下，线4和线5（T568A、T568B线缆的1号线对）对应直流电的一极，而线7和线8（T568A、T568B线缆的4号线对）对应另一极。由于这两对线对于10BASE-T和100BASE-TX是备用线对，所以模式B一定要使用4线对双绞线。

模式A和模式B两个供电模式的选择是由供电设备去决定的，而不是由受电设备决定。标准中不允许受电设备只实现模式A或模式B，[36]但供电设备可以实现全部或只有其中一种。受电设备可以在供电线对之间放置一个 25 kΩ的检测电阻来表明它符合标准，供电设备如果检测到供电线对的电阻过高或过低（包括短路），则会切断供电，从而保护非PoE设备。可选的功率等级功能允许受电设备通过在更高电压下更改检测电阻来指示其功率要求。

要保持供电，受电设备必须每次使用至少5–10 mA的电流至少60毫秒。 如果受电设备超过 400毫秒未满足此要求，则供电设备将认为设备已断开连接，并出于安全原因，切断供电。[37]

供电设备存在两种类型：endspan（端跨）和midspan（中跨）。endspan，例如PoE网络交换机，会直接包含PoE供电电路，而midspan则是在常规以太网交换机和受电设备之间接入一个PoE电源注入器，在不影响数据传输的情况下注入电源。endspan通常用于新安装或因其他原因（例如提升网络传输速率）而必须更换交换机时应用，这样方便应用PoE技术。而midspan则是在不改变现有交换机设备的情况使用。

PoE链路启动的通信步骤
阶段 动作 电压要求 (V)
802.3af 802.3at
检测 供电设备检测受电设备是否具有19–26.5 kΩ正确的特征电阻 2.7–10.1
分类 供电设备检测电阻指示的功率范围（见下“功率分类”表） 14.5–20.5
标记1 供电设备表示现在支持802.3at标准的信号，受电设备应该保持0.25–4 mA的负载。 — 7–10
分类2 供电设备输出检测功率分类的电压，代表支持802.3at标准 — 14.5–20.5
标记2 供电设备表示现在支持802.3at标准的信号，受电设备应该保持0.25–4 mA的负载。 — 7–10
启动 输出电压[38][39] > 42 > 42
正常运作 输出电力给受电设备[38][39] 37–57 42.5–57

支持IEEE 802.3at标准的设备会定义为类型2设备，一个支持IEEE 802.3at标准的供电设备也可以使用链路层发现协议来配置标示支持IEEE 802.3at标准。[40]

功率分类[41][42]
分类 用例 可用电流（mA） 受电设备的功率范围（W） 供电设备的功率范围（W） 分类说明
0 默认 0–5 0.44–12.94 15.4 分类未定义
1 可选 8–13 0.44–3.84 4.00 超低功率
2 可选 16–21 3.84–6.49 7.00 低功率
3 可选 25–31 6.49–12.95 15.4 中功率
4 类型2设备，支持802.3at但不支持802.3af 35–45 12.95–25.50 30 高功率
5 类型3设备，支持802.3bt 36–44 & 1–4 40 （4对线） 45
6 36-44 & 9–12 51（4对线） 60
7 类型4设备，支持802.3bt 36–44 & 17–20 62（4对线） 75
8 36–44 & 26–30 71.3（4对线） 99

分类4只能让类型2设备以802.3at标准使用，在链路启动步骤必选正确响应分类2、标记2的信号，802.3af设备使用分类4的电流分类被视为不符合要求，而是被视为使用分类0的电流。[43]:13

通过链路层发现协议配置

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链路层发现协议（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）是以太网链用于管理设备的链路层协议。LLDP允许在PSE和PD之间交换信息。 此信息采用类型-长度-值（英语：Type–length–value）（TLV）格式。 PoE 标准定义了PSE和PD用于发送信号和协商可用功率的TLV 结构。

IEEE 802.3-2015中通过MDI使用LLDP协商电力的协议帧[44]
TLV头 TLV的控制值意义
类型
（7位） 		长度

（9位）

IEEE 802.3 OUI

（3位八进制值）

IEEE 802.3 子类型

（1位八进制值）

MDI电源支持[45]
（1位八进制值） 		PSE电源线对[45]
（1位八进制值） 		功率类型
（1位八进制值） 		设备类型和源优先度

（1位八进制值）

PD请求电源功率值

（1位八进制值）

PSE提供电源功率值

（1位八进制值）

127 12 00-12-0F 2
  • b0：接口类型
    • 1=PSE
    • 0=PD
  • b1：PSE侧MDI电源支持
  • b2：PD侧MDI电源支持
  • b3：PSE线对控制能力
  • b4~b7：保留
 1=通信信号线对
2=预留线对
  • 1=class 0
  • 2=class 1
  • 3=class 2
  • 4=class 3
  • 5=class 4
  • b7：电源类型
    • 1=Type 1
    • 0=Type 2
  • b6：电源类型
    • 1=PD
    • 0=PSE
  • b5~b4：电源源头
  • b3~b2：保留
  • b0~b1：电源优先度
    • 11=low
    • 10=high
    • 01=critical
    • 00=unknown
 以0.1W步进，0~25.5W 以0.1W步进，0~25.5W
IEEE 802.1AB-2009通过MDI使用遗留LLDP协商电力的协议帧[46]
TLV头 TLV的控制值意义
类型  
(7位) 		长度
(9位) 		IEEE 802.3 OUI  
(3位八进制值) 		IEEE 802.3 子类型

（1位八进制值）

MDI电源支持[45]
（1位八进制值） 		PSE电源线对[45]
（1位八进制值） 		功率类型
（1位八进制值）
127 7 00-12-0F 2
  • b0：接口类型
    • 1=PSE
    • 0=PD
  • b1：PSE侧MDI电源支持
  • b2：PSE侧MDI电源状态
  • b3：PSE线对控制能力
  • b4~b7：保留
 1=通信信号线对
2=预留线对
  • 1=class 0
  • 2=class 1
  • 3=class 2
  • 4=class 3
  • 5=class 4
遗留LLDP MED（Media endpoint discovery extension）高级电源管理[47]:8
TLV头 MED头 通过MDI扩展电源
类型  
(7位) 		长度
(9位) 		TIA OUI
(3位八进制值) 		通过MDI扩展电源头子类型

（1位八进制值）

电源类型
（2位） 		电源类型
（2位） 		电源优先度
（2位） 		功率值
（2位八进制值）
127 7 00-12-BB 4 PSE、PD 正常、后备 Critical,
High,
Low 		以0.1W步进，0~102.3W

使用LLDP协商电源配置的步骤如下：

  1. PSE物理地使用IEEE 802.3af阶段分类3测试PD，将PD输电启动
  2. PD向PSE发送消息，表明自己是PD，最大功率为X，请求最大功率为X
  3. PSE向PD响应消息，表明自己是PSE，允许提供功率为X。这时PD可以使用PSE所提供的电源功率。

此功率协商的规则是：

  • PD不能使用超过IEEE 802.3af物理上所能允许的功率上限。
  • PD消耗的功率不得超过PSE公布的最大功率。
  • PSE可以拒绝任何PD消耗的功率超过PSE允许的最大值。
  • PSE不应减少分配给正在使用的PD的功率。
  • PSE可能会通过节能模式请求降低功率。[47]:10

非标准实现

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思科

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在IEEE将PoE标准化之前，思科的一些无线接入点和VoIP电话就支持私有的PoE功能。[48]这些早期PoE设备不能通过软件升级来支持IEEE 802.3af。思科给这些早期PoE设备能每个端口提供高达10W的功率。通过思科发现协议（英语：Cisco Discovery Protocol）（Cisco Discovery Protocol，CDP），交换机和终端受电设备之间可以协商需要传输的电量，除外，CDP还会将语音VLAN值从思科的交换机动态传送给思科的VoIP电话。

在思科这个标准下，PSE（交换机）会通过数据传输线对发送发送一个快速链路脉冲（fast link pulse，FLP），PD（受电设备）将这个信号通过低通滤波器连接回接收线端，PSE就会从PD收回这个FLP信号，PSE就会在线对1和2提供一个共模模式电流，默认为48V、6.3W的直流电。[49][50]PD必须在5秒内向交换机端口提供自动协商模式以协商获得以太网链路。稍后带有TLV的CDP消息告诉PSE其最终功率要求。链路脉冲的中断会让电源关闭。[51]

2014年，思科又创造另一个私有PoE协议，名为“Universal Power over Ethernet（UPOE）”，经过设备协商，最高可以使用四个线对提供60W的功率。[52]

凌力尔特

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凌力尔特（英语：Linear Technology）提供了一种称为“LTPoE++”的PoE技术，通过简单的CAT-5e双绞线，能够传送38.7、52.7、70、90W四档功率。[53]

美高森

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美高森（英语：Microsemi）在2007年收购PowerDsine公司，这家公司自1999开始就销售自己的Power over LAN技术及配套的跨端电源注入器。一些公司，如Polycom、3Com、朗讯、北电网络，有使用该技术。 [54]

EtherWAN PoL (Power over Link)

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EtherWAN提供了网络延伸器的长距离供电技术，可透过一条双绞线同时传输电力和数据，其线材甚至可利用传统的电话线或是同轴电缆。PoL可传输电力(最高可达30W)至终端设备，例如IP摄影机、控制器或无线基地台，最远可达1.2公里。[55]

被动式供电

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通过被动式时PoE系统，电源注入器不与受电设备协商供电电压和功率，只是始终供电。常见的百兆被动式电源注入器使用802.3af模式B的引脚排列，但极化可能各不相同。千兆被动式电源注入器在数据引脚上使用变压器，以允许电源和数据共享电缆，并且通常与802.3af模式A兼容。

需要5伏电压的设备通常不能在超过短距离（约15英尺（4.6米））以太网电缆上使用5V的PoE，因为电缆的压降太大，因此远端需要24 V或48V转5 V的DC-DC转换器。[56]

也存在DC-DC的被动式电源注入器，将9~36V或36~72V的电源电力转换为稳定的24V1A、48V0.5A、48V2.0A的PoE电力，将线脚4和5接为正极、线脚7和8接为负极。这种DC-DC电源注入器主要用于电信设施。[57]

PoE Watchdog

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PoE 看门狗功能是一种「自我检测并修复」网络功能，可监控所连接的受电设备 (Powered Device ,PD) 的装置的状态，并在装置无响应或停止正常工作时提供PoE电源重置的方法。PD在一定时间内没有联机响应的状况下，PoE Watchdog会以电源重置自动启动该设备。此过程旨在避免网络停机并保持连接的设备正常运作。本功能常用在工业或监控场域中的网络设备，有助于提升网络的稳定性。[58]

大部分的PoE看门狗功能装置只能支持于网管型以太网络交换器，利用软件侦测协议的设定与条件来达成目的，近期已开发出PoE Watchdog内建在非网管型以太网络交换器中，一样可以达成以往需要网管型交换机才能达到的监控目的，可以节省设备成本。[59]

供电能力限制

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ISO/IEC TR 29125和Cenelec（英语：European Committee for Electrotechnical Standardization） EN 50174-99-1在标准草案中就预料了使用4PPoE之后对预期的线材发热情况，提到两种情况：

  1. 线材从里往外发热。
  2. 线材从外被环境温度加热。

第二种情况很大程度上取决于环境和安装，而第一种情况仅受电缆结构的影响。在标准非屏蔽电缆中，与PoE相关的升温升增加了5倍。在屏蔽电缆中，该值下降到 2.5 到 3 之间，具体取决于设计。

接线

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802.3af/at 表中模式A、B，从供电设备侧（MDI-X）
交换机的接线 T568A线色 T568B线色 10/100Mbps 模式B

电力与数据分离

10/100Mbps 模式A

电力与数据混合

1Gbps 模式B
DC & bi-data 		1Gbps 模式A
DC & bi-data
数据 电力 数据 电力 数据 电力 数据 电力
线1   白/绿   白/橘 Rx + Rx + DC + TxRx A + TxRx A + DC +
线2   绿   橘 Rx − Rx − DC + TxRx A − TxRx A − DC +
线3   白/橘   白/绿 Tx + Tx + DC − TxRx B + TxRx B + DC −
线4   蓝   蓝 DC + 不使用 TxRx C + DC + TxRx C +
线5   白/蓝   白/蓝 DC + 不使用 TxRx C − DC + TxRx C −
线6   橘   绿 Tx − Tx − DC − TxRx B − TxRx B − DC −
线7   白/褐   白/褐 DC − 不使用 TxRx D + DC − TxRx D +
线8   褐   褐 DC − 不使用 TxRx D − DC − TxRx D −

参考资料

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  1. ^ 802.3af-2003, June 2003 
  2. ^ IEEE 802.3-2005, section 2, table 33-5, item 1
  3. ^ IEEE 802.3-2005, section 2, table 33-5, item 4
  4. ^ IEEE 802.3-2005, section 2, table 33-5, item 14
  5. ^ IEEE 802.3-2005, section 2, clause 33.3.5.2
  6. ^ 802.3at Amendment 3: Data Terminal Equipment (DTE) Power via the Media Dependent Interface (MDI) Enhancements, September 11, 2009 
  7. ^ Amendment to IEEE 802.3 Standard Enhances Power Management and Increases Available Power. IEEE. [2010-06-24]. （原始内容存档于2012-10-16）. 
  8. ^ Clause 33.3.1 stating, "PDs that simultaneously require power from both Mode A and Mode B are specifically not allowed by this standard."
  9. ^ IEEE 802.3-2012 Standard for Ethernet, IEEE Standards Association, December 28, 2012 
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外部链接

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