Power over Ethernet (PoE) Fundamentals: DC-voeding via Datakabels

Power over Ethernet (PoE) stelt de levering van DC-voeding in – tot 90 W – via standaard Ethernet-kabels over afstanden tot 100 meter. Deze technologie combineert voeding en data in een enkele kabelinfrastructuur, wat installaties in commerciële, industriële en enterprise-omgevingen vereenvoudigt.

Opmerking van de redacteur: Voeding en data over één kabel leveren is een game-changer voor moderne netwerken. Net zoals USB alomtegenwoordig is geworden voor consumentenapparaten, biedt PoE een schaalbare, veilige en kosteneffectieve oplossing voor verbonden infrastructuur.

De National Fire Protection Association (NFPA) noemt elektrische en verlichtingsapparatuur als de derde voornaamste oorzaak van commerciële branden in de VS. Veelvoorkomende schuldigen zijn verouderde bedrading, overbelaste circuits, losse verbindingen, defecte zekeringen en ongebalanceerde belasting – die allemaal kunnen oververhitten en een brand kunnen ontbranden. PoE's ingebouwde energiemanagement mitigateert deze risico's door spanning, stroom en belastingsbescherming op silicium-niveau te controleren.

Netspanning levert lange-afstand AC-voeding via geïsoleerde geleiders: fase (120 V of 230 V AC), nul (bij 0 V) en aarde (grond). De aardgeleider, die tot 33% van de totale koperdoorsnede kan consumeren, is essentieel voor veiligheid. In tegenstelling gebruikt PoE de acht geleiders van een Ethernet-kabel om DC-voeding te leveren, wat koper vrijmaakt voor data en veiligheid afhandelt via geïntegreerde silicium-controls.

Figuur 1: Vergelijking van een 2,5 mm² netdraad en een 23 AWG CAT6-kabel (bron: Ethernet Alliance)

2-Paar Voeding vs. 4-Paar Voeding

RJ45-connectors bieden acht contacten verdeeld over vier differentiële paren. In 10BASE-T en 100BASE-TX netwerken dragen slechts twee paren data, waardoor twee paren ongebruikt blijven. Gigabit Ethernet gebruikt alle vier paren. PoE benut de ongebruikte paren (IEEE 802.3af) of alle vier paren (IEEE 802.3bt) om voeding te leveren.

IEEE 802.3af (PoE) levert 350 mA per paar bij maximaal 57 V. IEEE 802.3at (PoE+) verhoogt dit naar 600 mA per paar, nog steeds bij 57 V. IEEE 802.3bt (PoE 2) gebruikt alle vier paren, elk bij 960 mA, tot 90 W per poort.

Figuur 2: 2-paar versus 4-paar voedingsvoorziening

IEEE 802.3bt (90 W) Classificatie

De Ethernet Alliance onderverdeelt PoE 2 verder in acht klassen (5–8), elk vertegenwoordigend een 15 W-snede voor de PSE en een 11 W-snede voor de PD. Deze gedetailleerde aanpak stelt multi-poort PSE's in staat om efficiënt voeding toe te wijzen op basis van elk apparaat zijn behoeften.

Figuur 3: IEEE 802.3bt klasse en type verdeling

PoE Voedingsvoorzieningsfasen

PoE volgt een vijf-stappen voorzieningscyclus, geïllustreerd hieronder.

• Detectie
• Classificatie
• Opstart
• Operatie
• Ontkoppeling

De PSE bevat een Rsense-weerstand om de door de PD getrokken stroom te meten, terwijl een 25 kΩ pull-down-weerstand op de PD detectie signaleert.

Figuur 4: PoE voedingsvoorzieningsfasen (bron: Ethernet Alliance)

Fase 1 – Detectie

Bij verbinding prompt de PD's 25 kΩ pull-down-weerstand de PSE om twee spanning-stroom metingen uit te voeren binnen een 500 ms venster: 2,8 V en 10 V. Door de ΔV/ΔI ratio te berekenen, bevestigt de PSE de aanwezigheid van een PoE-geschikt apparaat. Een geldig detectiebereik is 19 kΩ tot 26,5 kΩ; anders wijst de PSE het apparaat af.

Fase 2 – Classificatie

Tijdens classificatie kondigt de PD zijn benodigde voedingsklasse aan via vijf getimede "klasse-gebeurtenissen". Elke gebeurtenis correspondeert met een specifieke stroomsignatuur (bijv. Klasse 0: 1–4 mA, Klasse 1: 9–12 mA, etc.). De PSE meet de PD's sink-stroom in elke gebeurtenis om de klasse (1–8) te bepalen.

Figuur 5: Klassignaturen gebruikt tijdens classificatie

Na klassebepaling past de PSE de juiste spanningsniveaus toe (Figuur 6) en stelt de voedingstoewijzing in. Voor PoE 2-apparaten kan de PD schakelen naar een "klasse 0"-signatuur tijdens de tweede helft van Klasse-gebeurtenis 1, wat ondersteuning voor autoclass aangeeft. Dit stelt de PSE in staat om voedinglevering fijn af te stellen na meting van het piekverbruik van het apparaat.

Figuur 6: Klassignaturen en stroomniveaus

Autoclass Optimalisatie

Met autoclass zal een PD die bijvoorbeeld 65 W nodig heeft, zich identificeren als Klasse 8. De PSE zal dan net iets meer dan 66 W plus een kleine marge toewijzen, in plaats van de standaard 90 W. Over een acht-poort switch kan dit tot 200 W besparen, wat zowel veiligheid als energie-efficiëntie verbetert.

Fase 3 – Opstart

De PSE beperkt inrush-stroom tot 450 mA voor Klassen 1–4 en 900 mA voor Klassen 5–8. Gelijktijdig beperkt de PD belastingstroom tot 400 mA (Klassen 1–6) of 800 mA (Klassen 7–8) om beide apparaten te beschermen tijdens opstart.

Fase 4 & 5 – Operatie & Ontkoppeling

Tijdens operatie trekt de PD periodiek een kleine stroompuls (Maintain Power Signature, MPS) elke 400 ms. Als de PSE geen MPS ontvangt, koppelt het de voeding los om een verlopen verbinding te voorkomen.

Typische 802.3bt Powered Device Architectuur

Figuur 7 toont een typisch PoE 2 PD-circuit. AC-gekoppelde transformators voeden de Ethernet-interface, die een GreenBridge™ 2 gelijkrichter aandrijft – een efficiënte alternatief voor de conventionele silicium-diodenbrug. De NCP1095-controller (ON Semiconductor®) hanteert detectie, classificatie, inrush en overstroombescherming via speciale pinnen. Autoclass-ondersteuning is ingeschakeld via pin 6, terwijl pin 14 uitgangsgereedheid signaleert naar downstream DC-DC-converters.

Figuur 7: 802.3bt toepassingsdiagram (bron: ON Semiconductor)

ON Semiconductor biedt ook de NCP1096 aan, die de externe FET en Rsense integreert voor een gestroomlijnd ontwerp.

Waarom Silicium Ertoe Doet

Traditionele brandveiligheidsapparaten – zekeringen, stroomonderbrekers, aardedraden – zijn passief en reageren vaak pas nadat een fout al is opgetreden. PoE's silicium-gebaseerde controls (classificatie, autoclass, inrush-begrenzing, MPS) bieden realtime monitoring en automatische afsluiting, wat brandrisico dramatisch vermindert. Een onthullend apparaat triggerdt bijvoorbeeld een vroege ontkoppeling, zodat IT-personeel kan onderzoeken voordat een fout escaleert.

Bovendien is silicium veel minder duur dan koper en kan geprogrammeerd worden, wat een flexibele, schaalbare en veiligere voedingleveringsoplossing biedt dan conventionele bedrading.

▶ Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Power Electronics News.

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

Gerelateerde Inhoud

• Slimme gebouwen voeden met Power over Ethernet
• 10 power management IC's voor slimme fabrieken
• Tech-vooruitgang achter Industry 4.0 brengt nieuwe uitdagingen voor PCB-fabricage
• Gebedrade dataverbindingen gebruiken om eisende IoT-apparaten te voeden
• Hoe software-configureerbare I/O gebouwautomatisering verandert
• PoE-apparaten bieden 90 W voedingsbronnen

Voor meer Embedded, abonneer u op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.