PoE（Power over Ethernet）給電の原理と規格

PoE は「データ線で電力も運ぶ」技術

PoE（Power over Ethernet）は、イーサネットの LAN ケーブル 1 本でデータ通信と直流給電を同時に行う技術です。IP 電話・無線 AP・監視カメラのように、ネットワークと電源の両方が必要な機器を、コンセントなしで設置できます。電源工事が要らず、PoE 対応スイッチ側で一括して電源管理・遠隔リブートできるのが実務上の最大の利得です。

ただし「データ用の細い線に 48V 級を流す」以上、誤った相手に給電すれば機器を壊します。PoE 規格の本質は、給電の前に 相手が本当に PoE 機器かを安全に確かめる手順 にあります。本記事ではこの検出・分類のネゴシエーションを中心に、Type1〜4 の電力クラスと 4 ペア給電、そしてケーブル損失とディレーティングまでを原理から追います。電圧・電流・損失の前提は /power/circuit-fundamentals/ を踏まえます。

用語: PSE と PD

PoE では給電する側と受電する側を明確に分けて呼びます。

PSE は単なる電源ではなく「スマートな電源」です。常時 48V を流しっぱなしにするのではなく、ポートごとに 検出 → 分類 → 給電 → 監視 という状態機械を回し、PD が外れたら即座に給電を止めます。この一連の制御こそが PoE 規格の中核です。

ステップ1: PD 検出 ── 25kΩ の署名抵抗

PSE が最初に行うのは「このポートの先に PoE 対応 PD がいるか」の確認です。ここで満電圧を流すと、PoE 非対応の普通の PC やスイッチを壊しかねません。そこで PSE は 低電圧（おおむね 2.7〜10V の範囲を 2 点） をかけ、流れる電流から相手のインピーダンスを測ります。

PD 側は規格で定められた 約 25kΩ の署名抵抗（detection signature） を入力に持ちます。PSE は 2 点の電圧での電流差から微分抵抗（ΔV/ΔI）を計算し、それが規定窓（おおよそ 19〜26.5kΩ）に入っていれば「正規の PD」と判定します。

PD検出（PSEから見たインピーダンス測定）:

  V1 を印加 → I1 を測定
  V2 を印加 → I2 を測定
  Rsig = (V2 − V1) / (I2 − I1)

  Rsig が約 19k〜26.5kΩ なら → 有効なPD署名 → 次へ進む
  範囲外（ショート/オープン/容量過大）なら → 非PoE機器 → 給電しない

2 点測定で 微分抵抗 を見るのがポイントです。直流オフセットや漏れ電流の影響を差分でキャンセルでき、純粋な署名抵抗だけを取り出せます。署名容量にも上限規定があり、コンデンサだけの負荷を PD と誤認しないようにしています。検出に失敗すれば PSE は給電せず、ポートは安全な無給電のまま保たれます。

ステップ2: 分類 ── クラスネゴシエーション

検出で PD と確認できたら、次は「どれだけの電力が必要か」を決める 分類（classification） に進みます。PSE が必要以上の電力を確保し続けるのは無駄ですし、ポート総電力（パワーバジェット）の配分にも関わるため、PD の要求クラスを正確に知る必要があります。

分類には 2 つの方式があります。

• 物理層分類（ハードウェア分類）: PSE がやや高い電圧（おおむね 15.5〜20.5V）をかけ、PD は要求クラスに応じた 一定電流 を返します。PSE はこの電流値からクラス（0〜4）を読み取ります。電流の大きさそのものがクラスを符号化しています。
• 2-Event 分類 / データリンク層分類（LLDP）: より高い電力（Type2 以上）を扱うため、物理層の分類パルスを複数回行う方式や、給電開始後に LLDP（Link Layer Discovery Protocol）でデータ上から細かく電力をやり取り（半ワット単位の調整）する方式があります。802.3bt ではこの相互ネゴシエーションがさらに拡張されています。

物理層分類（クラスを電流で表現する例）:

  PSE: 分類電圧を印加
  PD : クラスに応じた一定電流を引く
       Class 0  → 0〜4mA（デフォルト, 最大電力で扱う）
       Class 1  → 9〜12mA
       Class 2  → 17〜20mA
       Class 3  → 26〜30mA
       Class 4  → 36〜44mA（Type2以上の合図）

  PSE はこの電流からクラスを確定し、確保すべき電力を決める

クラスは PSE が「どれだけのバジェットをこのポートに割り当てるか」を決める契約です。例えば 8 ポートで合計 120W しか出せないスイッチなら、各 PD のクラスを足し合わせて上限内に収まるよう管理します。分類が終わってはじめて、PSE は本給電電圧を投入します。

ステップ3: 給電と監視

検出・分類の合意が済むと、PSE はポート電圧を 満電圧（公称 48〜57V の直流） へ立ち上げます。突入電流を制限しながらソフトスタートし、定常給電に入ります。給電後も PSE は監視を続けます。

過電流・短絡時には PSE が遮断します。この活線挿抜・過電流保護の考え方は、PoE スイッチ内部の eFuse/ホットスワップ制御と通じます（/power/hotswap-efuse/ を参照）。

Type1〜4 ── 電力クラスと 4 ペア給電

PoE は IEEE 802.3 の改訂で段階的に電力を拡張してきました。世代の呼称が Type、給電方式が af/at/bt 系列です。

ここで重要なのが PSE 出力と PD 最低受電の差 です。例えば Type1 は PSE が 15.4W 出しても、PD が確実に使えるのは 12.95W。差の約 2.5W は ケーブルでの損失分 を見込んだ規定です。規格は「最悪のケーブル条件でも PD がこれだけは受け取れる」ことを保証するため、PSE 側に余裕を持たせています。

なぜ 4 ペア給電か

カテゴリ 5e 以上の LAN ケーブルは 4 対 8 芯です。Type1/2 は 2 ペア（4 芯）だけで給電しますが、Type3/4 は 4 ペア全部 を給電に使います。これは単に芯を増やすためではなく、1 ペアあたりの電流を半分に減らす ためです。

同じ給電電力 P を運ぶとき:

  2ペア給電: 電流 I が 1ペア（実質2本）に集中
    導体損失 ∝ I²R が大きい

  4ペア給電: 電流が 2系統に分散 → 各ペアは I/2
    各ペアの損失 ∝ (I/2)²R = I²R/4
    2系統合計でも損失は半分

  → 同じケーブルで約2倍の電力を、発熱を抑えて運べる

損失は電流の 2 乗に比例するため、電流を分散させる効果は絶大です。これが Type3/4 が 4 ペアを採用した物理的な理由です。電流を分けることでケーブルの発熱も均され、束ねたときの温度上昇も抑えられます。電流の 2 乗と配線抵抗で損失が決まる原理は /power/distribution-loss-cable-sizing/ と同じ枠組みです。

ケーブル損失とディレーティング

PoE 設計で効くのが ケーブルの直流抵抗 です。カテゴリ 5e（24AWG 級）の導体抵抗は 1 本あたりおおむね 0.1Ω/m で、最大長 100m では 1 本で約 10Ω、行き帰り 2 本の往復では 20Ω 近くになります。給電電圧を下げて電流を増やすほど、この抵抗での損失が効いてきます。だから PoE は比較的高い 48V 級を採用しています。

ケーブル損失の概算（2ペア給電, Type1相当）:

  Vpse = 48V, PD要求 ≈ 13W とすると
  I ≈ P / V ≈ 13 / 48 ≈ 0.27A
  往復抵抗 Rcable ≈ 20Ω（最悪ケース）

  Ploss = I² × Rcable ≈ 0.27² × 20 ≈ 1.5W
  → PSEは余分に出力し、PD端では電圧降下後の電力しか使えない

  電圧が高いほど同電力での電流Iが小さく、I²R損失が減る
  → PoEが12Vでなく48V級を使う理由

さらに見落とせないのが 温度ディレーティング です。複数の PoE ケーブルを束ねて配線すると、各ケーブルの発熱が互いを温め合い、束の中心ほど温度が上がります。導体は温度が上がると抵抗が増え、損失と温度上昇がさらに進みます。規格やケーブル規定では、束ねる本数や周囲温度に応じて 許容電流を割り引く（ディレーティングする） ことが求められます。

なぜこの手順なのか ── 設計思想のまとめ

PoE の各ステップは、すべて「データ用ケーブルに高電圧を安全に乗せる」という一点に向けて設計されています。

• 検出を給電より先に置く: 25kΩ 署名を低電圧で確認してから満電圧をかけるので、非対応機器を壊さない。順序が安全の核心。
• 分類でバジェットを管理: クラスネゴシエーションで PSE が各ポートの必要電力を把握し、限られたポート総電力を配分する。
• 4 ペアで電流を分散: I²R 損失は電流の 2 乗で効くため、電流を分けることが高電力化と低発熱を同時に実現する鍵。
• 損失とディレーティングを織り込む: PD 最低受電がPSE 出力より低く規定されるのは、最悪ケーブル条件の損失を保証として吸収するため。

データセンターやオフィスのフロア給電を含めた電源全体の設計思想は /power/datacenter-power-architecture/ とも接続します。

まとめ

• PoE は LAN ケーブル 1 本でデータと直流給電を同時に行う。給電側 PSE と受電側 PD に役割が分かれ、PSE は検出・分類・給電・監視の状態機械を回す。
• PD 検出は約 25kΩ の署名抵抗 を低電圧 2 点測定（微分抵抗）で確認する。非対応機器に満電圧をかけず保護するのが目的。
• 分類（クラスネゴシエーション） で PD が要求電力を電流または LLDP で伝え、PSE がパワーバジェットを配分してから本給電に入る。
• Type1（802.3af, 約15W）〜Type4（802.3bt, 約90W） と段階化。Type3/4 は 4 ペア給電で 1 ペアあたりの電流を半減し、I²R 損失を抑えて高電力化する。
• PD 最低受電が PSE 出力より低いのはケーブル損失を見込んだ保証。高電圧 48V 採用・温度ディレーティング・ケーブル品質はすべて損失設計に直結する。
• 電圧・電流・損失の前提は /power/circuit-fundamentals/、配線抵抗と損失は /power/distribution-loss-cable-sizing/、活線挿抜・過電流保護は /power/hotswap-efuse/ を参照。