Power-over-Ethernet (PoE) - nowy standard IEEE 802.3bt wspomaga rozwój technologii w zastosowaniach IoT

Napisano już wiele artykułów na temat technologii PoE (Power-over-Ethernet) i jej koncepcji. Przykładem może być artykuł Digi-Key pt. „Wprowadzenie do technologii Power-over-Ethernet”.

Artykuł ten analizuje i omawia nowe funkcje wprowadzone w najnowszym standardzie IEEE 802.3bt, obsługujące Internet rzeczy (IoT), czyli świat w którym rzeczy są połączone ze sobą, kontrolowane i monitorowane przez Internet.

Udoskonalenia w IEEE 802.3bt

Pierwszym i najistotniejszym udoskonaleniem standardu 802.3bt jest zdolność dostarczania znacznie większej mocy do urządzeń brzegowych (urządzeń zasilanych, oznaczanych jako PD) - 71,3W, przy pobieraniu 90W po stronie urządzeń zasilających (PSE).

Po drugie, obsługuje on prędkość transmisji do 10Gb/s w przypadku urządzeń sieciowych podłączonych za pośrednictwem kabla Cat5e.

Udoskonalenia w dziedzinie dostarczanej mocy i prędkości transmisji umożliwiają wykorzystanie technologii PoE w wielu nowych zastosowaniach IoT a szczególnie w wymagających większych mocy i prędkości urządzeniach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Oto kilka przykładów takich nowych zastosowań:

• Profesjonalne systemy audio
• Cyfrowe systemy reklamowe
• Małokomórkowe urządzenia radiowe 5G (infrastruktura mobilna: technologie 3G, 4G, 5G)
• Bezprzewodowe punkty dostępowe (WAP) 802.11ac)
• Bezprzewodowe sieci lokalne (WLAN) o wysokiej przepustowości
• Przemysłowa kontrola dostępu
• Oświetlenie
• Inteligentne domy
• Automatyka budynków i fabryk
• Terminale punktów sprzedaży (POS)
• Kioski informacyjne
• Zewnętrzne kamery IP z grzałkami
• Monitory i laptopy
• Cyfrowe oświetlenie sufitowe

Nowe funkcje IEEE 802.3bt

Nowy standard PoE IEEE 802.3bt zawiera szereg nowych funkcji i udoskonaleń w porównaniu ze starszą wersją 802.3at. Pozwalają one na oszczędność energii i zapewniają wyższą sprawność, dzięki czemu więcej urządzeń brzegowych może wykorzystywać technologię PoE.

Zasadniczo platforma IoT składa się z czterech elementów:

• Pomiary i monitorowanie
• Przetwarzanie (MCU)
• Łączność (przewodowa lub bezprzewodowa)
• Zarządzanie energią

Najnowsze funkcje i udoskonalenia standardu IEEE 802.3bt dotyczą wspomnianego wcześniej zarządzania energią w IoT. Oto cztery nowe funkcje i udoskonalenia: krótka sygnatura utrzymania zasilania (MPS), automatyczna klasyfikacja, pojedyncza/podwójna sygnatura urządzeń zasilanych (PD) oraz wyższe parametry zasilania urządzeń PD.

Krótka sygnatura utrzymania zasilania (MPS) - MPS jest minimalnym zużyciem energii przez urządzenie zasilane (PD), zapewniającym jego działanie oraz zapobiegającym odłączenie przez urządzenie zasilające (PSE). Urządzenie zasilające (PSE) ma za zadanie odłączyć zasilanie, gdy brak jest sygnatury MPS przez co najmniej 400ms, dzięki czemu w odłączonych kablach nie występuje zasilanie.

Ponadto, prawie wszystkie urządzenia zasilane (PD) w zastosowaniach IoT podsiadają tryb niskiej mocy lub uśpienia. Urządzenia takie muszą pobierać wyższy prąd, aby być nadal zasilane, co jest w sprzeczności z ideą trybu pogotowia o niskiej mocy. Krótka sygnatura MPS rozwiązuje ten problem skraca cykl roboczy i czas, przez jaki sygnatura zasilania musi być generowana, aby utrzymać podłączenie zasilania. Modyfikacja ta poprawia 10-krotnie minimalną moc w stanie pogotowia, dzięki czemu urządzenia brzegowe IoT mogą być zasilane z wykorzystaniem PoE i posiadać akceptowalną moc w stanie pogotowia.

W zastosowaniach IoT, gdzie duża liczba urządzeń wykorzystuje PoE, jak np. oświetlenie LED, redukcja mocy w stanie pogotowia ma znaczenie krytyczne.

Automatyczna klasyfikacja – automatyczna klasyfikacja pozwala na optymalizację przypisania mocy urządzenia zasilającego (PSE) do urządzenia zasilanego (PD). Zasadniczo urządzenie zasilające (PSE) „mierzy” straty w kablu Ethernet i zużycie energii przez podłączone urządzenie zasilane (PD) w zdefiniowanym okresie, stąd „wie” jaką „faktyczną” moc należy dostarczyć do tego urządzenia, a nie wyższą moc „przypisaną” na podstawie klasy urządzenia zasilanego. Dzięki temu to samo urządzenie zasilające (PSE) może zasilać większą liczbę urządzeń zasilanych (PD), czyli urządzeń brzegowych IoT.

Pojedyncza/podwójna sygnatura urządzenia zasilanego – standard IEEE 802.3bt obsługuje dwie konstrukcje urządzeń zasilanych (PD): jednosygnaturowe i dwusygnaturowe. Urządzenie zasilające (PSE) musi obsługiwać zarówno jednosygnaturowe, jak i dwusygnaturowe urządzenia zasilane (PD).

Urządzenia dwusygnaturowe obsługują zastosowania wymagające takiej samej mocy maksymalnej, jak urządzenia jednosygnaturowe, lecz zapewniają dodatkową elastyczność różnych i izolowanych konfiguracji obciążenia. Przykładem może być zewnętrzna kamera monitoringu, która wymaga zasilania wraz z grzałką lub wentylatorem chłodzącym w celu zapanowania nad ekstremalnymi warunkami termicznymi. Innym przykładem mogą być zastosowania IIoT z obwodami rezerwowymi, używanymi ze względu na niezawodność i bezpieczeństwo, które są zasilane naprzemiennie, a nie jednocześnie.

Ilustracja 1 ukazuje koncepcję sygnatury pojedynczej i podwójnej.

Ilustracja 1: koncepcja jednosygnaturowa i dwusygnaturowa (źródło ilustracji: Microchip)

Dodatkowe informacje techniczne na temat dwusygnaturowych urządzeń zasilanych IEEE 802.3bt można znaleźć w witrynie internetowej Ethernet Alliance (EA).

Zwiększona moc dostarczana do urządzenia zasilanego – standard IEEE 802.3bt definiuje moc maksymalną dostarczaną przez urządzenie zasilające (PSE) jako 90W, a moc odbieraną przez urządzenie zasilane (PD) jako 71,3W. Ten spadek mocy pomiędzy urządzeniem zasilającym i zasilanym wynika z maksymalnych strat 19W na całej długości maksymalnej kabla zdefiniowanej standardem Ethernet, równej 100m. W nowym standardzie IEEE 802.3bt urządzenie zasilane (PD) jest w stanie zmierzyć rezystancję kabla, obliczyć straty mocy w kablu i określić moc wystarczającą dla skompensowania maksymalnej traconej mocy 19W rozpraszanej na kablu o długości 100 metrów. Jeżeli odległość między urządzeniem zasilającym i zasilanym jest mniejsza od 100 metrów, urządzenie zasilane może otrzymać moc większą niż 71,3W. Na przykład: jeżeli długość kabla jest rzędu 2 do 5 metrów, urządzenie zasilane może otrzymać moc bliską mocy 90W dostarczanej przez urządzenie zasilające.

Udoskonalenia IEEE 802.3bt w dziedzinie sprawności energetycznej

Pomimo że nie jest to wyraźnie zdefiniowane przez standard 802.3bt, wielu wiodących dostawców układów scalonych stosowanych w rozwiązaniach PoE wprowadziło modyfikacje swoich wyrobów zmierzające do poprawy sprawności energetycznej.

Ilustracja 2: topologia blokowa PoE (źródło ilustracji: Microchip)

Przed zapoznaniem się z ilustracją 2 należy zdefiniować funkcje urządzeń zasilających (PSE) i zasilanych (PD).

Wymagane funkcje urządzenia zasilającego można pokrótce określić następująco:

• Wykrywanie odpowiednich urządzeń zasilanych
• Klasyfikacja mocy urządzeń zasilanych
• Dostarczanie do urządzeń zasilanych mocy od 4W do 90W przy napięciu od 44V do 57V
• Optymalizacja i alokacja mocy
• Monitorowanie usterek i odłączanie w razie konieczności
• Wyłączanie zasilania odpowiednich portów w przypadku wykrycia zbyt małego prądu
• Zabezpieczenie nadnapięciowe
• Zapewnienie izolacji od obwodów przełączających

Z kolei funkcje urządzeń zasilanych można podsumować następująco:

• Zabezpieczenie przed nieprawidłową polaryzacją
• Zapewnienie sygnatur niezbędnych dla wykrywania i prawidłowej klasyfikacji
• Optymalizacja mocy
• Zapewnienie izolacji
• Zapewnienie odpowiedniego napięcia wstępnego przy uruchamianiu z użyciem prądu stałego
• Obniżenie napięcia 57V do regulowanego napięcia zasilania wykorzystywanego w danym zastosowaniu

Jak widać na ilustracji 2, moc z urządzenia zasilającego (PSE) jest przesyłana kablem Ethernet do urządzenia zasilanego (PD). Mikroukład mostka diodowego urządzenia zasilanego prostuje napięcie z kabla. W 2-parowych systemach PoE napięcie może być dostarczane jedną z par danych lub parami zapasowymi, ale nie obydwiema. W 4-parowych systemach PoE zdefiniowanych standardem IEEE 802.3bt wszystkie pary są zasilane.

Z tego względu urządzenie zasilane musi zawierać dwa mostki (ilustracja 3).

Ilustracja 3: dwa mostki w urządzeniu zasilanym (PD) (źródło ilustracji: Analog Devices/Linear Tech)

Konwencjonalne rozwiązanie mostka diodowego ma kilka wad:

• Wysokie straty mocy spowodowane spadkiem napięcia na kablu
• Wysokie rozpraszanie ciepła
• Wymóg uwzględnienia zagadnień termicznych w projekcie

Ze względu na powyższe wady, stosowanie tradycyjnych mostków diodowych w wielu zastosowaniach IoT jest wysoce problematyczne, a czasem nawet niemożliwe.

Rozwiązaniem zapewniającym wyższą sprawność w porównaniu z mostkami diodowymi są tzw. mostki IdealBridge^™, wprowadzone przez firmę Microsemi (obecnie Microchip). Rozwiązanie to zawiera mostek wykorzystujący tranzystory MOSFET z kanałem N oraz kontroler.

Różnice pomiędzy podwójnym konwencjonalnym mostkiem diodowym i pojedynczym mostkiem IdealBridge przedstawiono na ilustracji 4.

Ilustracja 4: Porównanie konwencjonalnego podwójnego mostka diodowego i pojedynczego mostka Ideal Bridge™ (źródło ilustracji: Microchip)

Zalety mostka IdealBridge:

• W pełni zintegrowane rozwiązanie ogranicza liczbę stosowanych elementów, oszczędza miejsce na płytkach drukowanych i upraszcza wdrożenie
• Samodzielne obwody sterujące tranzystorami MOSFET
• Niska wartość R_DS(ON), niski pobór mocy
• Maksymalizacja sprawności energetycznej - wyższa moc wyjściowa i napięcie
• Znaczna redukcja rozpraszanego ciepła, eliminacja problemów termicznych z projektów oraz konieczności stosowania radiatorów
• Współpraca z 2-parowymi i 4-parowymi zastosowaniami PoE
• Zgodność ze standardami IEEE 802.3xx

Pierwszy mostek „IdealBridge™” został wprowadzony przez firmę Microsemi/Microchip w układzie PD70224. Inni dostawcy oferują podobne rozwiązania, takie jak: LT4321 Analog Devices/Linear Tech, 1-kanałowa dioda idealna FDMQ8205A firmy ON Semiconductor (nie mostek), oraz zintegrowane rozwiązanie PM8805 firmy STMicroelectronics (mostek IdealBridge zintegrowany w jednym układzie scalonym urządzenia zasilanego).

Podsumowanie

Najnowszy standard IEEE 802.3bt wprowadza nowe funkcje do technologii PoE, a także udoskonala już istniejące. Funkcje te poszerzają gamę urządzeń brzegowych, które mogą być łączone z użyciem koncepcji PoE, obsługując wiele nowych zastosowań IoT.

Istnieje wiele gotowych rozwiązań, które obsługują infrastruktury nie wykorzystujące technologii PoE, takich jak iniektory , zasilacze wieloportowe i rozdzielacze mocy. Należy jednak pamiętać, że IEEE 802.3bt jest stosunkowo nowym standardem i wielu dostawców oferowało spełniające go produkty już przed ratyfikacją w 2018 roku. Aby wykorzystać zalety nowych funkcji standardu IEEE 802.3bt i zapewnić współdziałanie urządzeń różnych dostawców, części i produkty muszą posiadać kwalifikację według standardu IEEE 802.3bt, co powinno być wyraźnie określone w arkuszach danych.