Basisprincipes van Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) transporteert korte afstanden (tot 100 meter) gelijkstroom over Ethernet-kabels tussen Power Sourcing Equipment (PSE) en Powered Devices (PD's).

[Noot van de redactie:het gemak van het leveren van stroom en data via dezelfde kabel is overtuigend, en net zoals USB een alomtegenwoordige stroombron is geworden voor veel consumentenapparaten, biedt Power over Ethernet (PoE) meerdere voordelen voor commerciële en industriële toepassingen. Het vorige artikel in deze tweedelige serie beschreef de rol van PoE in sommige van die toepassingen. ]

Volgens de National Fire Protection Association (NFPA) is elektrische en verlichtingsapparatuur de derde belangrijkste oorzaak van commerciële branden in de Verenigde Staten. De typische oorzaak is oude of defecte bedrading, overbelaste circuits, losse verbindingen, defecte zekeringen, onevenwichtige elektrische belastingen en vele andere elektrische of verlichtingsproblemen. Deze kunnen leiden tot oververhitting, wat resulteert in vonken die uiteindelijk een brand kunnen ontsteken.

Netstroom transporteert wisselstroom op lange en korte afstand over drie geïsoleerde koperdraden:spanningsvoerend, neutraal en aarde. De spanningvoerende draad draagt ​​het wisselende potentiaalverschil (120 VAC of 230 VAC). De nulleider voltooit het circuit en wordt op of dichtbij het aardpotentiaal of 0V gehouden. De aardedraad is een veiligheidsdraad die het circuit aardt bij een storing. Kortom, samen met zekeringen en stroomonderbrekers, wijdt de netvoeding 33% van het totale koper, de aardedraad, aan veiligheid.

Figuur 1:Dwarsdoorsnede van 2,5 mm2 massief koperen netdraad (links), naast massief koperen 23 AWG CAT6 kabel (rechts) op dezelfde schaal (Bron:Ethernet Alliance)

Power over Ethernet (PoE) transporteert korte afstanden (tot 100 meter) gelijkstroom via Ethernet-kabels tussen Power Sourcing Equipment (PSE) en Powered Devices (PD's). Afhankelijk van de PoE-standaard worden maximaal acht koperdraden gebruikt om gelijkstroom te transporteren, inclusief het retourpad. Kortom, PoE besteedt geen koper aan veiligheid. Filosofisch en architectonisch verplaatst de PoE-standaard de veiligheidscontrole van het koper (net) naar het silicium. Er zijn hier twee voordelen; silicium is veel goedkoper dan koper en je kunt silicium coderen. Je kunt koper niet coderen.

2-paar voeding vs. 4-paar voeding

Ethernet maakt gebruik van de RJ45-connector, die acht contacten heeft. Deze zijn verdeeld in vier differentiële (diff) paren (Figuur 2). In 10BASE-T (10 Mbps) en 100BASE-TX (100 Mbps) netwerken worden slechts twee van de vier beschikbare diff-paren gebruikt om gegevens over te dragen, waardoor twee paren ongebruikt blijven. In Gigabit Ethernet (1 Gbps)-netwerken worden alle vier diff-paren gebruikt voor gegevensoverdracht.

Gebruikmakend van de bestaande 10/100/1000 Ethernet-infrastructuur, IEEE 802.3af (nu bekend als PoE), die 350 mA/paar, 57 V max levert, en IEEE 802.3at, die 600 mA/paar, 57 V max levert (bekend als PoE 1) stroom leveren met behulp van deze ongebruikte paren, waarbij twee alternatieve modi worden geïmplementeerd; Alternatief A of B:

A. Alternatief A (PSE), of Mode A (PD) transporteert stroom op diff. paren 2 en 3

B. Alternatief B (PSE), of Mode B (PD) transporteert stroom op diff. paren 1 en 4

Ondertussen werkt PoE 2, of IEEE 802.3bt, op 4-paars stroom door alle vier de diff. paren bij 960 mA/paar tot maximaal 57. Dit levert 90 Watt op bij de PSE.

Figuur 2:2-paar voeding versus 4-paar voeding

IEEE 802.3bt (90 W) classificatie

De Ethernet Alliance verdeelt de vier typen verder in acht verschillende klassen, weergegeven in afbeelding 3. Voor de Power Sourcing Equipment (PSE) is elke PoE 2-klasse (5-8) een slice van 15 W, terwijl elke PoE 2-klasse een 11 W-klasse is. slice voor het Powered Device (PD). Fijnere verdeling van klassen versus typen optimaliseert de efficiëntie van een multi-poort PSE om een ​​verscheidenheid aan stroom te leveren aan aangesloten PD's, vooral naarmate het aantal aangesloten PSE-poorten groeit.

Figuur 3:IEEE 802.3bt-classificatie

IEEE 802.3af/at/bt Stroomvoorzieningsfasen

PoE-stroomvoorziening tussen de PSE en de PD volgt de vijf verschillende fasen, hieronder en in afbeelding 4 geïllustreerd.

• Fase 1:Detectie
• Fase 2:Classificatie
• Fase 3:Opstarten
• Fase 4:Operatie
• Fase 5:Verbinding verbreken

De PSE bevat een Rsense-weerstand in serie met het retourstroompad voor het meten van eventuele stroomafname die door de PD wordt uitgevoerd. Er is ook een 25k pulldown-handtekeningweerstand op de PD, die wordt gebruikt om de PSE op de hoogte te stellen van een detectie.

Figuur 4:PoE-stroomvoorzieningsfasen (bron:Ethernet Alliance)

Fase 1. Detectie

Wanneer een PSE en PD zijn verbonden via een Ethernet-kabel, presenteert de PD een 25 kΩ pull-down weerstand (Figuur 4 rechts) aan de PSE. De PSE voert vervolgens twee stroommetingen uit binnen een tijdsbestek van 500 milliseconden:

1) forceer V 2,8 V en meet I

2) forceer V 10 V en meet I

Door een ∆V / ∆I te berekenen, als de PSE meet van 19 KΩ tot 26,5 ΩK, kan de PSE de detectie als geldig accepteren. Anders moet de PSE de detectie afwijzen. Het voordeel van het uitvoeren van een differentiële meting is dat omgevingsgeluid (agressor) gemeenschappelijk is voor elke meting en daarom wordt afgewezen (common-mode-weigering).

Fase 2. Classificatie

Tijdens de classificatiefase kondigt een PD de gevraagde klassehandtekening of stroomvereisten aan aan de PSE. De classificatiefase is verdeeld in vijf klasse-evenementen of tijdvakken, zoals weergegeven in afbeelding 5.

1) Klassehandtekening 0:1 mA tot 4 mA

2) Klassehandtekening 1:9 mA tot 12 mA

3) Klassehandtekening 2:17 mA tot 20 mA

4) Klassehandtekening 3:26 mA tot 30 mA

5) Klassehandtekening 4:36 mA tot 44 mA

Figuur 5. Klassenhandtekeningen geproduceerd door de PD

Dit cijfer geeft weer welke klassehandtekening (rij) vereist is tijdens elk klassegebeurtenis (kolom), om de PD-klasse (1 – 8) te identificeren. Een klasse 7 PD levert bijvoorbeeld 40 mA tijdens klassegebeurtenis 1, 40 mA tijdens klassegebeurtenis 2 en 18 mA tijdens klassegebeurtenissen 3 tot en met 5. De PSE meet de stroomafname van de PD tijdens elke tijdgebeurtenis om de klasse van de PD te leren.

De PSE is verantwoordelijk voor het forceren van de spanningen die worden weergegeven in Afbeelding 6 hieronder, terwijl de PD verantwoordelijk is voor het zinken van maximaal vijf verschillende stroomniveaus die klassesignaturen worden genoemd.

Figuur 6:Klashandtekeningen en huidige niveaus

Autoklasse

Zoals te zien is in figuur 5, is klasgebeurtenis 1 langer dan de andere klasgebeurtenissen. Dit is uniek voor 802.3bt, en niet het geval met 802.3at of 802.3af. Als de PD ook 802.3bt-compatibel is, kan de PD veranderen in klassesignatuur 0 (1 tot 4 mA) 81 milliseconden in Class Event 1, wat de 802.3bt PSE informeert dat de PD ook 802.3bt is en Autoclass ondersteunt.

Nadat de PD is ingeschakeld, levert de PD zijn maximale vermogen gedurende ~ 1,2 seconden. De PSE meet het PD-vermogen, voegt wat marge toe en dit wordt het nieuwe geoptimaliseerde vermogensniveau dat door de PSE wordt geboden.

Autoclass optimaliseert de toewijzing van PSE-vermogen. Als een PD bijvoorbeeld tijdens bedrijf maximaal 65W nodig heeft, zou die PD zich bij de PSE als een klasse 8 identificeren, om 65W bij de PD te garanderen. Zonder Autoclass zou de PSE 90W toewijzen, om ervoor te zorgen dat de PD 65W krijgt. Met Autoclass mag de PSE slechts 66,5 W lezen (korte kabellengte), + 1,75 W marge =68,25 W toewijzing. De energiebesparing is 21,75 W, of ~25%. Hoewel dit misschien niet significant lijkt, kan Autoclass, als de PSE-switch acht 802.3bt-poorten heeft, elke poort optimaliseren (met verschillende kabellengtes) voor een totale potentiële efficiëntiebesparing van honderden watt.

Fase 3:Opstarten

Tijdens de opstartfase is de PSE verantwoordelijk voor het beperken van de inschakelstroom tot 450 mA voor de klassen 1 tot 4 en 900 mA voor de klassen 5 tot 8.

Tijdens de opstartfase is de PD verantwoordelijk voor het beperken van de belastingsstroom tot 400 mA voor klassen 1 – 6 en 800 mA voor klassen 7 – 8.

Fase 4-5:Bediening, loskoppelen en MPS

Handhaaf Power Signature (MPS) is een keep-alive-functie, waarbij de PD periodieke stroompulsen van de PSE haalt om de PSE te informeren dat de PD niet is losgekoppeld. Als een PSE na 400 milliseconden geen MPS van de PD ontvangt, moet de PSE de stroom naar de PD loskoppelen.

IEE 802.3bt PD-toepassingsblokdiagram

Afbeelding 7 toont een typisch 802.3bt-toepassingsdiagram voor een Powered Device (PD). Van links naar rechts bewegend, koppelen AC-transformatoren de Ethernet 10/100/1000-gegevens aan een nabijgelegen processor. De volledige golfrectificatie wordt bereikt door GreenBridge™ 2, dat minder stroom verbruikt dan de traditionele siliciumdiodebrug. De NCP1095 van ON Semiconductor ^® (pin 7), presenteert de 25kΩ detectie pull-down weerstand, terwijl pinnen 2 en 3 de stroomvereisten van de PD bepalen per klasse (weerstandswaarden), gecommuniceerd aan de PSE tijdens de classificatiegebeurtenissen na bevestiging. De pennen 6, 8, 9 en 10 regelen gezamenlijk de inschakelstroom- en overstroombeveiliging (OCP) met een externe Rsense- en doorgangspoort. Drie-bits communicatie met een begeleidende processor vindt plaats op pinnen 13, 15 en 16. Pin 14 PGO-pin informeert een stroomafwaarts DCDC-apparaat wanneer het uitgangsvermogen goed is. Met pin 4 kan de NCP1095 opstarten vanaf een lokale hulpvoeding, terwijl pin 6 Autoclass bestuurt, een nieuwe functie van 802.3bt.

Figuur 7:802.3bt-toepassingsdiagram

ON Semiconductor biedt ook de NCP1096-controller aan, die zowel de externe FET als Rsense integreert.

Je kunt silicium coderen

Zekeringen, stroomonderbrekers en aardingsdraden zijn relatief botte instrumenten om elektrische branden te voorkomen, vooral in vergelijking met de kenmerken van IEEE 802.3bt. De stroomvoorzieningsfuncties die het biedt, zoals classificatie, autoclass, inrush en MPS, zijn veel beter. Met netstroom kunnen bijvoorbeeld knaagdieren die zich in de muren of het plafond bevinden gemakkelijk een elektrische brand veroorzaken zonder enige waarschuwing. Als de PD daarentegen niet elke 400 ms een MPS aan de PSE levert, schakelt de PSE automatisch de stroomtoevoer naar de PD uit.

Je kunt je gemakkelijk voorstellen dat je een PSE codeert om ongeplande verbroken verbindingen vast te leggen, wat een vroege waarschuwingsvlag voor de IT-afdeling activeert, waardoor catastrofale gebeurtenissen zoals bouwbranden mogelijk worden voorkomen. Ondertussen wijzen Classification en Autoclass op intelligente wijze het exacte vermogen toe dat een belasting nodig heeft. Dit is een zeer veilige en efficiënte manier om stroom te verdelen. Zoals eerder vermeld, is silicium een ​​stuk goedkoper dan koper en kun je silicium coderen, maar koper niet.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Elektronica Nieuws.

---

Bob-kaart is Americas Marketing Manager, Advanced Solutions Group bij ON Semiconductor.

---

Verwante inhoud:

• Slimme gebouwen van stroom voorzien met Power over Ethernet
• 10 energiebeheer-IC's voor slimme fabrieken
• Technische vooruitgang achter Industrie 4.0 brengt nieuwe uitdagingen voor PCB-productie
• Bekabelde dataverbindingen gebruiken om veeleisende IoT-apparaten van stroom te voorzien
• Hoe software-configureerbare I/O de gebouwautomatisering verandert
• PoE-apparaten bieden stroomvoorziening van 90 W

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.