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直流電阻不平衡測試:為您的 PoE 系統提供簡單而經濟的保證

2021-08-15 19:59:01 FNET

概述

原先由 IEEE 分別于 1999 年和 2003 年批準的千兆以太網 (1000BASE-T) 和以太網供電 (PoE) 的兩種網絡技術已成為現在的規范。因約 85% 的現有布線同時支持這兩種技術,它們在過去十年里獲得了飛快的發展,因而現在有許多企業己經或計劃在水平 LAN 環境中部署千兆以太網和更多的 PoE 設備。

雖然 10/100BASE-T(即 10 和 100 Mbps)應用只需要兩根雙絞線進行傳輸,剩下一根四對絞線中的兩根備用雙絞線供 PoE 使用,但千兆以太網需要所有四根雙絞線才能進行雙向傳輸。在這種情況下,PoE 通過同時傳輸數據的雙絞線實現。

這通常稱為幻像供電,實現方式是在一根四對以太網線纜的兩根雙絞線之間施加一個共模電壓,PoE 不能干擾數據傳輸。但是,PoE 連接中的直流電阻不平衡可能會產生嚴重問題。雖然 TIA 或 IEC 性能現場測試中并不要求進行電阻不平衡測試,但 IEEE 的 PoE 標準中指定了該測試,而為了保證設備獲得所需的電力和數據,還需要很多努力使直流電阻不平衡測試成為現場測試要求。隨著我們在未來轉向采用新的 PoE 標準,即 IEEE 802.3bt 并能達到 100W,從而使兩線對 PoE 交付變為四線對 PoE 交付。不僅線對內的直流電阻不平衡將可能導致問題,即使線對到線對的直流并聯電阻不平衡也可能引起潛在的問題。


了解 PoE 和直流電阻不平衡

IEEE 802.3af PoE 標準是為了通過雙絞數據線為設備提供遠程低電壓而開發的。電力通過電源設備 (PSE) 注入,這通常是一種啟用了 PoE 的開關或一種中跨電力設備。電力可由另一端的多種用電設備 (PD) 使用,包括語音電話、無線接入點 (WAP)、掛鐘、傳感器、攝像機、訪問控制面板等。

原始 IEEE 802.3af 標準通過雙絞線最高可提供 15.4 W(13 W 可用)功率,而當前的 IEEE 802.3at PoE Plus 標準將最大功率值提高到 30 W(25.5 W 可用)。新提出的 IEEE 802.3bt PoE Plus Plus 標準旨在批準后提供 100W 功率。PoE Plus 是為需要更高功率的設備而開發的,如較高功率 WAP、泛傾斜變焦照相機、LED 顯示屏等。實際上,為實現更復雜的信號處理和需要 PoE Plus 的更高幀速率,新的 802.11ac 千兆 WiFi 標準有更高的功率要求。正在開發的 PoE Plus Plus 旨在為更耗電的設備提供電源,如多個無線 WAP、CCTV 攝像機(還包括 PTZ 和加熱器)、LED 數據中心照明、以及正在設想的更多用途。

IEEE 802.3af 和 802.3at 標準為 PSE 指定了兩種使用一根四對數據線纜中的兩根雙絞線來提供電力的方法—方法 A 和 B。在方法 B 中,電力是通過備用雙絞線使用雙絞線 1 和 4 提供的。這與僅使用兩根雙絞線(雙絞線 2 和 3)的數據信號兼容,包括 10/100BASE-T 應用。在方法 A 中,電力與數據同時通過雙絞線 2 和 3 提供,兼容兩對和四對應用,包括 10/100BASE-T 和 1000BASE-T。

在方法 A 中,電力通過應用共模電壓經數據線對傳輸。電力通過 PD 變壓器的中心分路器接收和返回,拆分雙絞線中各導線之間的電流。雙絞線中每條線的電阻相等時,直流電阻不平衡(兩導線之間的電阻差)為零,電流均分,即為共模電流。

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在 IEEE 802.3bt 中,我們采用 4 線對系統以提供所需電力。我們仍然使用我們的 PSE 和 PD 設備,電流在四線對之間共享。

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雖然設備可以承受輕微的直流電阻不平衡,但過大的不平衡可能導致變壓器飽和。這最終會使以太網數據信號的波形變形,導致位錯誤、重復傳輸,甚至數據鏈路故障。在四線對 PoE 系統中,可以承受線對之間的一些直流電阻不平衡,但如果過量,PoE 將停止運作。

什么導致直流電阻不平衡?

可能有多種原因在 PoE 數據鏈路中發生線對內和線對之間的直流電阻不平衡。雖然 PSE 和終端設備都可能會發生中心分路器偏移之類的變壓器問題,但直流電阻不平衡更經常是因為工藝差、端子不一致和線纜質量不達標引起的。

長期以來,不良安裝實踐一直是網絡性能問題的關鍵。保證最小彎曲半徑和保持對絞靠近端點是實現性能參數的關鍵,對于 1000BASE-T 和 10GBASE-T 較高頻率應用更是如此。相對高頻率傳輸特性來說 PoE 更依賴于特定長度線纜的直流電阻,因而某些安裝實踐會產生影響。

各個導線終端的一致性對于避免直流電阻不平衡有重要意義。將各個導線壓到網絡插座中正確的 IDC 塔中以去除導線絕緣、露出銅,然后完成連接。

在該實踐過程中保持正確且一致的安插并不一定是件容易的事。插入導線需要一定的力度,不熟練、手部疲勞和較大的導線尺寸都會對一致性產生影響。當一對 PoE 線中的兩根導線終端不一致時,就會發生直流電阻不平衡。使用正確的終端工具有助于提高 PoE 系統中終端的一致性并避免直流電阻不平衡(見側欄上的終端工具)。

除合格的終端外,還要有精密的制造流程,因為線纜和連接的整體質量也會影響直流電阻不平衡。制造高質量 UTP 線纜時需要仔細選擇銅導線并通過嚴格的控制措施保持線纜的正確外形。如果低質量線纜的銅導線在直徑、同心度(圓度)、輪廓和平滑度上出現差異,則 PoE 系統中出現直流電阻不平衡的可能性就會更高。

目前業界越來越關心的一個問題就是有大量含銅鍍鋁 (CCA)、銅鍍鋼和其他非標準導線冒充 5e 類甚至 6 類線。雖然這些雙絞線于那些尋找經濟型網絡解決方案的人很有吸引力,但 CCA 線不符合行業標準,也不支持 PoE 應用,因為它們的直流電阻較大,會比相同直徑的實心銅導線高 55%。線的電阻越高發熱就越大,所驅動設備獲得的電壓就越小。

遺憾的是,測試直流電阻并不足以確定是否支持 PoE,因為部分 CCA 線在短鏈路中可以通過直流環路電阻測試。但是,無論鏈路長度如何,CCA 線纜的雙絞線通常都會有直流電阻不平衡,因為它們導線之間缺乏一致性(見側欄上直流環路電阻和直流電阻不平衡)。還應當注意的是,ANSI/TIA 和 ISO/IEC 標準要求雙絞數據線為 100% 銅纜。

線對內和線對間的直流電阻不平衡測試

IEEE 標準 802.3-2012 規定導線之間的直流電阻不平衡最高為 3%,這意味著兩根導線之間的直流電阻差不能超過一根雙絞線總直流環路電阻的 3%。但是 TIA 和 IEC 標準都不要求將線對內的直流電阻不平衡或線對之間的直流電阻不平衡作為現場測量。沒有現場測試要求是因為沒有能夠測試直流電阻不平衡的現場測試儀,于是這最終成了僅實驗室可以執行的測量。但有了 DSX-5000 CableAnalyzer 情況就不同了。此外,IEEE802.3bt 標準要求兩個線對之間的直流電阻不平衡最大不超過 7% 或 50m ?。

直流電阻不平衡測試可以驗證線對中的導線是否有相同的電阻,從而提供所需的共模電流以有效地支持 PoE 并避免同一雙線對上傳輸的數據信號發生失真。與僅測試直流環路電阻的其他現場測試儀不同,DSX-5000 可測量直流環路電阻、線對內的直流電阻不平衡、線對之間的直流電阻不平衡。

另外如下面的圖 1 所示,DSX-5000 測量的直流環路電阻是一根雙絞線中的兩根導線的電阻和,而直流電阻不平衡測量的是兩根導線的電阻差。線對 1,2-4,5 的線對之間直流電阻不平衡如下圖所示,圖中是兩線對的并聯電阻的絕對差。

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圖 1

雖然現場測試不要求,DSX-5000 CableAnalyzer 可配置為包括通道或永久鏈路測量的直流電阻不平衡測試限值;如下表 1 所示。

DSX CableAnalyzer 測試極限名稱直流電阻不平衡
信道永久鏈路
TIA Cat 5e 永久鏈路(+全)0.20 或 3.0%0.20 或 3.0%
TIA 6 類永久鏈路(+全)0.20 或 3.0%0.20 或 3.0%
TIA 6A 類永久鏈路(+全)0.20 或 3.0%0.20 或 3.0%
ISO11801 PL D 類(+全)0.20 或 3.0%0.15 或 3.0%
ISO11801 PL E 類(+全)0.20 或 3.0%0.15 或 3.0%
ISO11801 PL2 Ea 類(+全)0.20 或 3.0%0.15 或 3.0%


如果您要對永久性鏈路或通道進行測量,則測量使用 DSX-5000,所選測試限值使用“通過/失敗”標準,如圖 2 所示。如果您發現 PoE 問題并希望排除線纜原因,這便是有用的信息,可使您確信新安裝的線纜不僅可以傳送數據,還可以支持 PoE。

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圖 2

現場測試標準已是測試要求的最低標準,我們也應該將直流電阻不平衡測試作為現場擴展測試,以幫助解決與 CCA 線相關的問題,以及更好地保證滿足 IEEE 標準的強制 PoE 要求。

隨著更多的企業部署多種千兆以太網技術以及更多利用數據線來供電的 PoE 設備,線對內的直流電阻不平衡測試和線對之間的直流電阻不平衡測試將成為更加重要的問題。隨著 PoE Plus 部署的不斷增長,特別是需要它的 802.11ac WAP 的問世,直流電阻不平衡將成為更加重要的問題,因為更多的電流經過導線會使 PoE 更容易受到直流電阻和電阻不平衡的影響。將要推出的 PoE Plus Plus 能夠為設備提供高達 60 瓦的更高功率。

別讓您的 PoE 系統受到平衡的影響。通過 DSX-5000 進行直流電阻不平衡測試是現今和未來 PoE 系統的簡便、低成本的保證。

使用正確的終端工具提高終端一致性

使用正確的終端工具有助于提高 PoE 系統中終端的一致性并避免直流電阻不平衡。為電信線制作終端的打線工具有三種—手動、沖壓和多線。手動打線工具的力量大部分來自人力,這會使線對中兩根導線間更容易產生不一致。您很難每次為每根導線都使用相同的力,特別是手部疲勞時。

對安裝人員力量需要較少的沖壓工具是更好的選擇,但這些工具仍會造成導線間的終端不一致。保證終端一致的選擇是多線工具,如一次擠壓便可為所有線對制作終端的 JackRapid,可對所有導線提供相同的力量。多線工具也可緩解手部疲勞,與使用單線終端工具相比制作接頭的速度提高八倍,從而顯著減少了安裝時間。更快、更可靠且一致的終端組合可以減少高達 80% 的返工和成本。

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直流環路電阻與直流電阻不平衡

直流環路電阻和直流電阻不平衡之間經常會產生混淆。提供特定的功率的能力取決于特定長度線纜的總直流環路電阻。直流環路電阻的計算方法是線對中兩根導線的電阻和。根據 IEEE 標準,線對的通道直流環路電阻應為 25 Ω 或以下,而恒定鏈路直流環路電阻應為 21 Ω 或以下。


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