Основы технологии Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) для передачи питания постоянного тока на короткие расстояния (до 100 метров) через кабели Ethernet между оборудованием источника питания (PSE) и устройствами с питанием (PD).

[Примечание редактора:удобство передачи питания и данных по одному и тому же кабелю является убедительным, и так же, как USB стал повсеместным источником питания для многих потребительских устройств, технология Power over Ethernet (PoE) дает множество преимуществ для коммерческих и промышленных предприятий. Приложения. В предыдущей статье этой серии из двух частей описывалась роль PoE в некоторых из этих приложений. ]

По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA), третьей ведущей причиной коммерческих пожаров в США является электрическое и осветительное оборудование. Типичной первопричиной является старая или неисправная проводка, перегрузка цепей, неплотные соединения, неисправные предохранители, несбалансированная электрическая нагрузка и многие другие проблемы с электричеством или освещением. Это может привести к перегреву и появлению искр, которые в конечном итоге могут воспламенить огонь.

Электропитание передает электроэнергию переменного тока на большие и короткие расстояния по трем изолированным медным проводам:под напряжением, нейтралью и заземлением. Токоведущий провод несет переменную разность потенциалов (120 В переменного тока или 230 В переменного тока). Нейтральный провод замыкает цепь и поддерживается на уровне или близком к потенциалу земли, или 0 В. Заземляющий провод - это предохранительный провод, который заземляет цепь в случае неисправности. Короче говоря, вместе с предохранителями и автоматическими выключателями, сеть направляет 33% общей меди, заземляющего провода, на безопасность.

Рис. 1. Поперечное сечение сплошного медного сетевого провода 2,5 мм2 (слева) рядом с сплошным медным кабелем 23 AWG CAT6 (справа) в том же масштабе (Источник:Ethernet Alliance)

Power over Ethernet (PoE) обеспечивает передачу электроэнергии постоянного тока на короткие расстояния (до 100 метров) по кабелям Ethernet между оборудованием источника питания (PSE) и устройствами с питанием (PD). В зависимости от стандарта PoE для передачи питания постоянного тока используется до восьми медных проводов, включая обратный путь. Короче говоря, PoE не выделяет медь для безопасности. С философской и архитектурной точки зрения стандарт PoE переносит управление безопасностью с меди (сети) на кремний. Здесь есть два преимущества; Кремний намного дешевле меди, и вы можете кодировать кремний. Нельзя кодировать медь.

2-парное питание против 4-парного питания

В Ethernet используется разъем RJ45 с восемью контактами. Они разделены на четыре дифференциальные (дифференциальные) пары (рис. 2). В сетях 10BASE-T (10 Мбит / с) и 100BASE-TX (100 Мбит / с) только две из четырех доступных пар различий используются для передачи данных, поэтому две пары остаются неиспользованными. В сетях Gigabit Ethernet (1 Гбит / с) для передачи данных используются все четыре пары различий.

Используя существующую инфраструктуру Ethernet 10/100/1000, IEEE 802.3af (теперь известный как PoE), который обеспечивает 350 мА / пара, 57 В макс., И IEEE 802.3at, который обеспечивает 600 мА / пару, макс. 57 В (известный как PoE 1) подавать питание, используя эти неиспользуемые пары, реализуя два альтернативных режима; Альтернатива A или B:

A. Альтернатива A (PSE) или Mode A (PD) передает питание на дифференциал. пары 2 и 3

B. Альтернатива B (PSE) или режим B (PD) передает питание на дифференциал. пары 1 и 4

Между тем, PoE 2 или IEEE 802.3bt работает на 4-парном питании с использованием всех четырех различий. пар при 960 мА / пара до максимального 57. Таким образом достигается 90 Вт на PSE.

Рис. 2. Сравнение мощности двух пар и четырех пар

Классификация IEEE 802.3bt (90 Вт)

Ethernet Alliance далее делит четыре типа на восемь отдельных классов, показанных на рисунке 3. Для оборудования источника питания (PSE) каждый класс PoE 2 (5-8) представляет собой срез мощностью 15 Вт, а каждый класс PoE 2 - мощность 11 Вт. срез для питаемого устройства (PD). Более точное разделение классов и типов оптимизирует эффективность многопортового PSE, обеспечивая различную мощность для подключенных PD, особенно по мере роста количества подключенных портов PSE.

Рисунок 3. Классификация IEEE 802.3bt

Этапы обеспечения питания IEEE 802.3af / at / bt

Обеспечение питания PoE между PSE и PD следует за пятью отдельными этапами, показанными ниже и на рисунке 4.

• Этап 1. Обнаружение
• Этап 2. Классификация
• Этап 3. Запуск
• Этап 4:эксплуатация
• Этап 5. Отключение

PSE содержит резистор Rsense, включенный последовательно с цепью обратного тока, для измерения любого понижения тока, осуществляемого PD. Также на PD имеется понижающий резистор сигнатуры 25 кОм, который используется для уведомления PSE об обнаружении.

Рис. 4. Этапы обеспечения питания PoE (Источник:Ethernet Alliance)

Этап 1. Обнаружение

Когда PSE и PD соединены кабелем Ethernet, PD представляет собой понижающий резистор 25 кОм (рис. 4 справа) к PSE. Затем PSE выполняет два измерения тока в пределах окна 500 миллисекунд:

1) усилить V 2,8 В и измерить I

2) усилить V 10 В и измерить I

Посредством вычисления ∆V / ∆I, если PSE измеряет от 19 кОм до 26,5 ΩK, PSE может принять обнаружение как действительное. В противном случае PSE должен отклонить обнаружение. Преимущество выполнения дифференциального измерения заключается в том, что любой окружающий шум (агрессор) будет общим для каждого измерения и, следовательно, будет отклоняться (подавление синфазного сигнала).

Этап 2. Классификация

На этапе классификации PD объявляет PSE о своей запрошенной сигнатуре класса или требованиях к мощности. Фаза классификации разделена на пять классовых событий или временных интервалов, как показано на рисунке 5.

1) Сигнатура класса 0:от 1 мА до 4 мА

2) Сигнатура класса 1:от 9 мА до 12 мА

3) Сигнатура класса 2:от 17 мА до 20 мА

4) Сигнатура класса 3:от 26 мА до 30 мА

5) Сигнатура класса 4:от 36 мА до 44 мА

Рис. 5. Сигнатуры классов, создаваемые PD

На этом рисунке показано, какая подпись класса (строка) требуется во время каждого события класса (столбец), чтобы идентифицировать класс PD (1–8). Например, PD класса 7 будет обеспечивать 40 мА во время события класса 1, 40 мА во время события класса 2 и 18 мА во время событий класса 3–5. PSE измеряет снижение тока PD во время каждого временного события, чтобы узнать класс PD.

PSE отвечает за форсирование напряжений, показанных на рисунке 6 ниже, в то время как PD отвечает за снижение до пяти различных уровней тока, называемых сигнатурами классов.

Рисунок 6. Сигнатуры классов и текущие уровни

Автокласс

Как показано на рисунке 5, событие класса 1 длиннее, чем события другого класса. Это уникально для 802.3bt, а не для 802.3at или 802.3af. Если PD также совместим с 802.3bt, PD может перейти на сигнатуру класса 0 (от 1 до 4 мА) на 81 миллисекунду в событие класса 1, которое информирует 802.3bt PSE, что PD также является 802.3bt и поддерживает Autoclass.>

После включения БП он обеспечивает максимальную мощность в течение ~ 1,2 секунды. PSE измеряет мощность частичного разряда, добавляет некоторый запас, и это становится новым оптимизированным уровнем мощности, обеспечиваемым PSE.

Autoclass оптимизирует распределение мощности PSE. Например, если PD требует максимум 65 Вт во время работы, этот PD идентифицирует себя как класс 8 для PSE, чтобы гарантировать 65 Вт на PD. Без Autoclass PSE выделил бы 90 Вт, чтобы гарантировать, что PD получит 65 Вт. С Autoclass PSE может считывать только 66,5 Вт (короткая длина кабеля), запас + 1,75 Вт =выделенная мощность 68,25 Вт. Экономия энергии составляет 21,75 Вт, или ~ 25%. Хотя это может показаться несущественным, но если коммутатор PSE имеет восемь портов 802.3bt, Autoclass может оптимизировать каждый порт (с помощью кабелей различной длины) для общей потенциальной экономии на сотни ватт.

Этап 3. Запуск

На этапе запуска PSE отвечает за ограничение пускового тока до 450 мА для классов 1–4 и 900 мА для классов 5–8.

На этапе запуска PD отвечает за ограничение тока нагрузки до 400 мА для классов 1–6 и 800 мА для классов 7–8.

Этапы 4-5:Работа, отключение и MPS

Поддержание сигнатуры мощности (MPS) - это функция поддержания активности, при которой PD принимает периодические импульсы тока от PSE, чтобы информировать PSE о том, что PD не отключился. Если PSE не получает MPS от PD через 400 миллисекунд, то PSE должен отключить питание от PD.

Блок-схема приложения IEE 802.3bt PD

На рисунке 7 изображена типичная диаграмма приложения 802.3bt для устройства с питанием (PD). Двигаясь слева направо, трансформаторы переменного тока соединяют данные Ethernet 10/100/1000 с ближайшим процессором. Полноволновое выпрямление выполняется с помощью GreenBridge ™ 2, потребляя меньше энергии, чем традиционный мост на кремниевых диодах. NCP1095 от ON Semiconductor ^® (вывод 7) представляет собой понижающий резистор обнаружения 25 кОм, а выводы 2 и 3 определяют требования к питанию PD по классам (значения резистора), передаваемые PSE во время классификационных событий после присоединения. Контакты 6, 8, 9 и 10 совместно управляют защитой от бросков тока и перегрузки по току (OCP) с помощью внешнего Rsense и проходного затвора. Трехразрядная связь с сопутствующим процессором осуществляется на контактах 13, 15 и 16. Контакт 14 Контакт PGO сообщает нижестоящему устройству DCDC, когда выходная мощность является хорошей. Контакт 4 позволяет NCP1095 питаться от локального вспомогательного источника питания, а контакт 6 управляет Autoclass, новой функцией 802.3bt.

Рисунок 7. Схема приложения 802.3bt

ON Semiconductor также предлагает контроллер NCP1096, который объединяет как внешний полевой транзистор, так и Rsense.

Можно кодировать кремний

Предохранители, автоматические выключатели и заземляющие провода являются относительно тупыми инструментами для предотвращения электрических пожаров, особенно по сравнению с характеристиками IEEE 802.3bt. Предлагаемые им функции обеспечения питания, такие как классификация, автоклассификация, пусковой ток и MPS, намного превосходят его. Например, при подключении к сети грызуны, спрятанные в стенах или потолке, могут легко вызвать электрический пожар без какого-либо предупреждения. Напротив, если PD не обеспечивает MPS для PSE каждые 400 мсек, PSE автоматически отключает питание PD.

Можно легко представить себе кодирование PSE для регистрации незапланированных отключений, которые активируют раннее предупреждение ИТ-отдела, потенциально предотвращая катастрофические события, такие как пожары в зданиях. Между тем, Classification and Autoclass разумно распределяет точную мощность, которая потребуется нагрузке. Это очень безопасный и эффективный способ распределения энергии. Как упоминалось ранее, кремний намного дешевле меди, и вы можете кодировать кремний, но не можете кодировать медь.

>> Эта статья изначально была опубликована на нашем дочернем сайте Power Новости электроники.

---

Боб Кард является менеджером по маркетингу в Северной и Южной Америке группы передовых решений в ON Semiconductor.

---

Связанное содержание:

• Электропитание умных зданий с помощью технологии Power over Ethernet
• 10 ИС управления питанием для умных предприятий
• Технические достижения Индустрии 4.0 ставят перед производством печатных плат новые задачи.
• Использование проводных соединений для передачи данных для питания требовательных устройств IoT.
• Как программно конфигурируемый ввод-вывод меняет автоматизацию зданий.
• Устройства PoE обеспечивают источник питания мощностью 90 Вт.

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.