高速無線LAN情報局

PoE規格IEEE802.3afについて

業務用のアクセスポイントでは、昨年くらいからIEEE802.3af準拠のPoE(Power over Ethernet)機能を持ち合わせたものが随分多くなってきました。PoEとは、LANケーブルから電源を取る技術のことで、2003年6月にIEEEによってIEEE802.3af規格として制定されました。
PoEの利点は、LANから電源を取ることで、ACアダプタなどを使わないで済むことです。業務用のアクセスポイントの場合は、事務所の壁の高いところなど、電源が簡単に取れない場所に設置することが多く、絶対に引くことになるLANケーブルで電源を供給すれば、見た目にもすっきりと配置できるのです。

IEEE802.3af規格の特徴を以下に簡単に挙げます。なお、一般的にPoEにおいて、給電側の機器をPSE(Power Sourcing Equipment)、アクセスポイントなどの受電側機器をPD(Power Device)と呼びます。

最も特徴的なのが、3番目のPDを検知して給電を行う機能です。方法については後述しますが、LANケーブルにずっと絶え間なく電圧をかけているわけではなく、IEEE802.3af準拠のPDとLANケーブルで接続された時点で初めて48Vの電圧がかかり、給電されることになります。
この機能により、IEEE802.3afに対応していないLANポートなどに接続されても、給電されることはなく、事故を未然に防止することができるのです。
なお、IEEE802.3afの規格書は、IEEEからダウンロードすることができます。ここで規格について簡単に説明はしますが、詳細を知りたい方は目を通しておくべきでしょう。→[IEEE802.3af]

IEEE802.3af機器の主な仕様を以下の表に挙げます。

PSE (給電側)
項目最小値最大値
出力電圧44VDC57VDC
最大電力
15.4W
検出時間
500ms
分類時間10ms75ms
Turn On時間
400ms
切断検出時間300ms400ms
PD (受電側)
項目最小値最大値
入力電圧36VDC57VDC
最大電力
12.95W
最大入力電流(CLASS 0/3)
400mA
最大入力電流(CLASS 1)
120mA
最大入力電流(CLASS 2)
210mA
Turn On電圧
42VDC
Turn Off電圧30VDC

IEEE802.3afについて、簡単に説明します。

LANケーブル

IEEE802.3afのPoEは、LANケーブルに電圧をかけるわけですが、それには2種類の方法があります。規格書でいう、信号対に電圧をかけるAlternative A(選択肢A)と、予備対に電圧をかけるAlternative B(選択肢B)です。(規格書31ページ)
通常、カテゴリ5のLANケーブルは、1,2,3,6ピンでデータの送受信を行い、4,5,7,8ピンは使用しません。Alternative Aは、データの送受信を行いつつ、信号を送る線のペア(信号対)48Vの電圧を印加します。Alternative Bは、データのやりとりで使用しない予備線のペア(予備対)に48Vの電圧を印加します。

LANポート

Alternative Aでデータと給電を同じ信号線で行うのは大丈夫かと思われますが、実際には何ら問題ありません。このとき、PDではIEEE802.3af準拠のトランスを用いてその中点より電圧を取り出します。
Alternative Aでも問題はないものの、やはり何となく気持ち悪いためか、現在市場で出回っているIEEE802.3af準拠のPSEは殆どがAlternative Bとなっています。
Alternative Bは、予備対を使用するので、当然LANケーブルはカテゴリ5のものを使用しなければなりません。

PSEの種類

PSEには、大きく分けて「エンドポイント型」と「ミッドスパン型」というふたつの種類があります。エンドポイント型は、HUBなどの機器がPSEとなっているものです。PSEがPDに直接給電します。逆に、ミッドスパン型というのは、HUBなどと繋がっているPDとの間にPSEをかまし、LANの途中から給電を行うものです。以下に図で表します。図で見ると簡単に理解できるでしょう。

PSEの種類

ここで気をつけないといけないのが、エンドポイント型は、ケーブルの給電方法でAlternative AでもBでも使用でき、ミッドスパン型はAlternative Bしか使用できない点です。ミッドスパンで途中から電圧を印加することにより、信号対を流れるデータに影響を与えないように定められたようです。

電源供給の方法

実際にPSEがLANケーブルに48Vを印加して電源供給を開始するまでには、2段階のプロセスを経るよう規定されています。
最初の第1段階が、「検出(DETECT)」です。受電側の機器がIEEE802.3af対応のPDかどうかを調べます。次の第2段階が「分類(CLASSIFICATION)」です。PDの最大消費電力を調べます。このステップはIEEE802.3af規格ではオプションとされており、なくてもいいのですが、実際にはほとんどの製品が分類機能を持ち合わせています。

電源供給までの段階

第1段階の検出では、PD側に25KΩの検出抵抗を有しているかどうかを調べます。具体的には、2.8~10Vの間で電位差が1V以上になるような電圧2点での電流を測定し、その2点の傾きが25KΩのそれであるかを確認しています。この25KΩという値の検出抵抗は、IEEE802.3af委員会で長期間検討された結果、最も誤検出の確率の少ない抵抗値として決定されました。
実際に、普通のNICなどにPSEを接続した場合、150Ωで短絡されているため、PSEは電源を供給しません。逆に、PSEに対して受け側のLANポートの4,5ピンと7,8ピン、もしくは1,2ピンと3,6ピンを25KΩで繋いでやると、PDと検出されて給電が始まることになります。いくつかの製品では、チップの方で負荷をモニタリングし、25KΩが検出されても不自然な負荷の場合に給電しないものもあります。

第2段階の分類では、10~75msecの間、15.5~20.5Vの電圧を印加し、そのときに流れる電流でPDの最大消費電流を分類分けします。

クラス電流値 PSE最大出力電力PD消費電力
00 ~ 5mA15.4W0.44 ~ 12.95W
18 ~ 13mA4.0W0.44 ~ 3.84W
216 ~ 21mA7.0W3.84 ~ 6.49W
325 ~ 31mA15.4W6.49 ~ 12.95W
435 ~ 45mA予約予約

電流値は連続しておらず、途切れている部分があります。例えば、21~25mAなどです。この場合、CLASS 2か3もしくはCLASS 0になるよう分類されます。結構適当に決められています。
また、CLASS 4は予約となっており、使用できません。CLASS 4は、将来的にモータで本体を動かす監視カメラなどへの使用をターゲットとして30~40Wの最大消費電力になるようです。

IEEE802.3afシステムの構成

PSEからPDまでのIEEE802.3afシステムを回路図的に描くと、次の図のようになります。(図をクリックすると拡大した図が表示されます。)IEEE802.3af用チップのメーカであるLinear Technologyによるものです。

IEEE802.3afシステム

LTC4259AがPSE側のチップ、LT4257がPD側のチップです。SMAJ58Aとあるダイオードはサージサプレッサで、58V以上の過電圧を避ける役割をします。青色部分はAlternative Aでの給電で使用するトランスです。トランスの内部でデータ信号だけ取り出し、給電用の電圧を中点にかけています。
トランスは、IEEE802.3af専用のものがリリースされています。例えば、有名メーカでいうと、Pulse EngineeringのH2019などです。しかしながら、ICOMのAP-5100AではPulse EngineeringのH1102という普通のEthernet用トランスを使っており、あまり関係ないのかも知れません。
この図の中で重要なのが、赤色で示したダイオードブリッジです。これがあることによって、Alternative AであってもAlternative Bであっても、あるいはクロスケーブルの使用で電圧のプラスマイナスが逆になっても、給電方法でもPD側のチップには電圧が正しくかかるようになっています。

切断の検出

IEEE802.3afには、給電中にケーブルが抜けた場合にPSEが給電を止める機能があります。PSEは過電流以外にPDに正しく接続されているかポートを常に監視しています。PDとの切断が検出された場合に給電をただちに停止します。
切断の検出方法には、AC切断とDC切断があります。AC切断は、100Hz程度の交流電圧(AC)を印加し、ポートのインピーダンスを監視する方法です。直流電圧(DC)を印加し、ポートの電流値を監視する方法です。
特にどちらが優れているということはないようですが、Ciscoが推すAC切断を、息のかかったLinear Technologyを始め、T.I.などのチップメーカが採用しています。

IEEE802.3afチップメーカ

IEEE802.3afに準拠したPSE用、PD用チップをリリースしている主なメーカは次のとおりです。

Linear TechnologyやT.I.はPD用のチップが多く使われています。PowerDsineは、PoEモジュールがIEEE802.3af準拠のHUBに使われていることが多いようです。

どのメーカの製品がいいか

IEEE802.3af準拠の機器を使用するに当たって、どこのメーカのものがいいか悩む方もいるでしょう。PDであるアクセスポイントは無線LAN機能で選ぶとして、PSE側はどうすればいいのか。
実際は、どこのでも構わないというのが筆者の印象です。メーカ推奨のPSEであれば保証も得られるのでそれがベストではありますが、コストなどで折り合いがつかない場合は、他社のものでも問題ないでしょう。例えば、I-O DATAのIEEE802.3af対応の無線LANルータ「WN-APG/A」を複数台使用するとき、ミッドスパン型のPSE「POE-PS」しかリリースされていないので、他社製品のIEEE802.3af準拠のPoE HUBを買ってそれを使用しても、PoE接続には何ら困ることはないでしょう。

ただし、PoEとはいいながら、IEEE802.3af製品ではないパチモンもたくさんあるので、それだけは気を付けた方がいいでしょう。例えば、Buffaloの業務用アクセスポイントは、独自仕様のPoEでIEEE802.3af準拠ではありません。IEEE802.3af準拠のHUBをリリースしているにも関わらずです。受電装置である「WLE-POE-R33」を分解してみれば明らかです。LANコネクタの4,5ピンと7,8ピンに当たる部分に25KΩの抵抗が入っているだけで、IEEE802.3af準拠のチップはおろか、ダイオードブリッジさえ入っていません。25KΩ抵抗のおかげで、IEEE802.3af準拠でAlternative BのPSEを使用すれば電源供給されることはされるのですが、LANケーブル内の導線が変にクロスしていた場合などは問題です。
その他にも、独自仕様のPoE製品が多くありますので、他社製品と組み合わせる場合は、注意するようにしましょう。独自仕様のPoEが特にダメとはいいませんが、できれば規格に沿った世界標準のものを使用する方がいいのではないでしょうか。

(2005.04.02)