Power over Ethernet-Grundlagen

Power over Ethernet (PoE) transportiert Gleichstrom auf Kurzstrecken (bis zu 100 Meter) über Ethernet-Kabel zwischen Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Devices (PDs).

[Anmerkung des Herausgebers:Die Bequemlichkeit, Strom und Daten über dasselbe Kabel bereitzustellen, ist überzeugend, und so wie USB zu einer allgegenwärtigen Stromquelle für viele Verbrauchergeräte geworden ist, bietet Power over Ethernet (PoE) zahlreiche Vorteile für Gewerbe und Industrie Anwendungen. Im vorherigen Artikel dieser zweiteiligen Serie wurde die Rolle von PoE in einigen dieser Anwendungen beschrieben. ]

Laut der National Fire Protection Association (NFPA) sind Elektro- und Beleuchtungsgeräte die dritthäufigste Ursache für gewerbliche Brände in den Vereinigten Staaten. Die typische Ursache sind alte oder defekte Verkabelung, überlastete Stromkreise, lose Verbindungen, defekte Sicherungen, unausgeglichene elektrische Lasten und viele andere elektrische oder Beleuchtungsprobleme. Diese können zu einer Überhitzung führen, wodurch Funken entstehen, die letztendlich ein Feuer entzünden können.

Netzstrom transportiert Wechselstrom auf Lang- und Kurzstrecken über drei isolierte Kupferdrähte:stromführende, neutrale und geerdete Leitungen. Die stromführende Leitung führt die Wechselpotentialdifferenz (120 VAC oder 230 VAC). Der Neutralleiter schließt den Stromkreis und wird auf oder nahe dem Erdpotential oder 0 V gehalten. Der Erdungsdraht ist ein Sicherheitsdraht, der den Stromkreis im Fehlerfall erdet. Kurz gesagt, zusammen mit Sicherungen und Schutzschaltern widmet das Stromnetz 33 % seines gesamten Kupfers, dem Erdungskabel, der Sicherheit.

Abbildung 1:Querschnitt von 2,5 mm2 massivem Kupfer-Netzkabel (links), neben massivem Kupfer 23 AWG CAT6-Kabel (rechts) im gleichen Maßstab (Quelle:Ethernet Alliance)

Power over Ethernet (PoE) transportiert Kurzstrecken-Gleichstrom (bis zu 100 Meter) über Ethernet-Kabel zwischen Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Devices (PDs). Je nach PoE-Standard werden bis zu acht Kupferdrähte verwendet, um die Gleichstromversorgung einschließlich des Rückwegs zu übertragen. Kurz gesagt, PoE widmet kein Kupfer der Sicherheit. Philosophisch und architektonisch verlagert der PoE-Standard die Sicherheitssteuerung vom Kupfer (Netz) auf das Silizium. Hier gibt es zwei Vorteile; Silizium ist viel billiger als Kupfer, und Sie können Silizium codieren. Kupfer kann man nicht codieren.

2-Paar-Power vs. 4-Paar-Power

Ethernet verwendet den RJ45-Anschluss, der über acht Kontakte verfügt. Diese sind in vier differentielle (diff) Paare unterteilt (Abbildung 2). In 10BASE-T (10 Mbit/s) und 100BASE-TX (100 Mbit/s) Netzwerken werden nur zwei der vier verfügbaren Diff-Paare für die Datenübertragung verwendet, wodurch zwei Paare ungenutzt bleiben. In Gigabit-Ethernet-Netzwerken (1 Gbit/s) werden alle vier Diff-Paare für die Datenübertragung verwendet.

Nutzung der bestehenden 10/100/1000-Ethernet-Infrastruktur, IEEE 802.3af (jetzt bekannt als PoE), das 350 mA/Paar, 57 V max bietet, und IEEE 802.3at, das 600 mA/Paar, 57 V max (bekannt als PoE) bietet 1) Liefern von Leistung unter Verwendung dieser ungenutzten Paare, wobei zwei alternative Modi implementiert werden; Alternative A oder B:

A. Alternative A (PSE) oder Modus A (PD) transportiert Leistung auf Diff. Paare 2 und 3

B. Alternative B (PSE) oder Mode B (PD) transportiert Leistung auf Diff. Paare 1 und 4

Währenddessen arbeitet PoE 2 oder IEEE 802.3bt mit 4-Paar-Strom, indem alle vier Diffs verwendet werden. Paare bei 960 mA/Paar auf maximal 57. Das erreicht 90 Watt an der PSE.

Abbildung 2:2-Paar-Leistung vs. 4-Paar-Leistung

Klassifizierung nach IEEE 802.3bt (90 W)

Die Ethernet Alliance unterteilt die vier Typen weiter in acht verschiedene Klassen, die in Abbildung 3 dargestellt sind. Für Power Sourcing Equipment (PSE) ist jede PoE 2-Klasse (5-8) ein 15-W-Slice, während jede PoE 2-Klasse ein 11-W-Slice ist Slice für das Powered Device (PD). Ein feineres Slicing von Klassen im Vergleich zu Typen optimiert die Effizienz einer Multi-Port-PSE, um angeschlossenen PDs eine Vielzahl von Strom bereitzustellen, insbesondere wenn die Anzahl der angeschlossenen PSE-Ports wächst.

Abbildung 3:IEEE 802.3bt-Klassifizierung

Leistungsbereitstellungsphasen nach IEEE 802.3af/at/bt

Die PoE-Stromversorgung zwischen PSE und PD folgt den fünf verschiedenen Phasen, die unten und in Abbildung 4 dargestellt sind.

• Phase 1:Erkennung
• Phase 2:Klassifizierung
• Phase 3:Start
• Phase 4:Betrieb
• Phase 5:Verbindung trennen

Das PSE enthält einen Rsense-Widerstand in Reihe mit dem Rückstrompfad zum Messen jeglicher Stromsenke, die vom PD durchgeführt wird. Es gibt auch einen 25k Pulldown-Signaturwiderstand auf dem PD, der verwendet wird, um die PSE über eine Erkennung zu benachrichtigen.

Abbildung 4:PoE-Power-Provisioning-Phasen (Quelle:Ethernet Alliance)

Phase 1. Erkennung

Wenn eine PSE und ein PD über ein Ethernet-Kabel verbunden sind, stellt das PD der PSE einen 25 kΩ Pulldown-Widerstand (Abbildung 4 rechts) zur Verfügung. Das PSE führt dann innerhalb eines 500-Millisekunden-Fensters zwei Strommessungen durch:

1) erzwinge V 2,8 V und messe I

2) erzwinge V 10 V und messe I

Durch Berechnung von ∆V / ∆I kann die PSE die Erkennung als gültig akzeptieren, wenn die PSE von 19 KΩ bis 26,5 ΩK misst. Andernfalls muss die PSE die Erkennung ablehnen. Der Vorteil der Durchführung einer Differenzmessung besteht darin, dass alle Umgebungsgeräusche (Aggressoren) jeder Messung gemeinsam sind und daher zurückgewiesen werden (Gleichtaktunterdrückung).

Phase 2. Klassifizierung

Während der Klassifizierungsphase gibt ein PD der PSE seine angeforderte Klassensignatur oder Leistungsanforderungen bekannt. Die Klassifizierungsphase ist in fünf Klassenereignisse oder Zeitfenster unterteilt, wie in Abbildung 5 dargestellt.

1) Klassensignatur 0:1 mA bis 4 mA

2) Klassensignatur 1:9 mA bis 12 mA

3) Klassensignatur 2:17 mA bis 20 mA

4) Klassensignatur 3:26 mA bis 30 mA

5) Klassensignatur 4:36 mA bis 44 mA

Abbildung 5. Von der PD erstellte Klassensignaturen

Diese Zahl erfasst, welche Klassensignatur (Zeile) während jedes Klassenereignisses (Spalte) erforderlich ist, um die PD-Klasse (1 – 8) zu identifizieren. Ein PD der Klasse 7 liefert beispielsweise 40 mA während des Klassenereignisses 1, 40 mA während des Klassenereignisses 2 und 18 mA während der Klassenereignisse 3 bis 5. Der PSE misst die Stromsenke des PD während jedes Zeitereignisses, um die Klasse des PD zu lernen.

Der PSE ist dafür verantwortlich, die in Abbildung 6 unten gezeigten Spannungen zu erzwingen, während der PD dafür verantwortlich ist, bis zu fünf verschiedene Strompegel zu senken, die als Klassensignaturen bezeichnet werden.

Abbildung 6:Klassensignaturen und aktuelle Level

Autoklasse

Wie in Abbildung 5 gezeigt, ist das Klassenereignis 1 länger als die anderen Klassenereignisse. Dies ist bei 802.3bt einzigartig und bei 802.3at oder 802.3af nicht der Fall. Wenn das PD auch 802.3bt-kompatibel ist, kann das PD zur Klassensignatur 0 (1 bis 4 mA) 81 Millisekunden in Class Event 1 wechseln, wodurch die 802.3bt PSE informiert wird, dass das PD auch 802.3bt ist und Autoclass unterstützt.

Nach dem Einschalten des PD liefert das PD etwa 1,2 Sekunden lang seine maximale Leistung. Die PSE misst die PD-Leistung, fügt einen gewissen Spielraum hinzu, und dies wird der neue optimierte Leistungspegel, der von der PSE bereitgestellt wird.

Autoclass optimiert die PSE-Leistungsverteilung. Benötigt ein PD beispielsweise im Betrieb maximal 65W, würde sich dieses PD gegenüber der PSE als Klasse 8 ausweisen, um 65W am PD zu garantieren. Ohne Autoclass würde die PSE 90 W zuweisen, um sicherzustellen, dass die PD 65 W erhält. Mit Autoclass kann die PSE nur 66,5 W (kurze Kabellänge) anzeigen, + 1,75 W Spielraum =68,25 W Zuweisung. Die Energieeinsparung beträgt 21,75 W oder ~25%. Auch wenn dies unbedeutend erscheinen mag, wenn der PSE-Switch über acht 802.3bt-Ports verfügt, kann Autoclass jeden Port (mit einer Vielzahl von Kabellängen) optimieren, um eine potenzielle Gesamteffizienzeinsparung von Hunderten von Watt zu erzielen.

Phase 3:Inbetriebnahme

Während der Startphase ist die PSE dafür verantwortlich, den Einschaltstrom auf 450 mA für die Klassen 1 bis 4 und 900 mA für die Klassen 5 bis 8 zu begrenzen.

Während der Anlaufphase ist das PD für die Begrenzung des Laststroms auf 400 mA für die Klassen 1 – 6 und 800 mA für die Klassen 7 – 8 verantwortlich.

Phasen 4-5:Betrieb, Trennen und MPS

Beibehalten der Leistungssignatur (MPS) ist eine Keep-Alive-Funktion, bei der das PD periodische Stromimpulse von der PSE absenkt, um die PSE darüber zu informieren, dass die PD nicht getrennt wurde. Wenn eine PSE nach 400 Millisekunden kein MPS vom PD empfängt, muss die PSE die Stromversorgung zum PD trennen.

IEE 802.3bt PD-Anwendungsblockdiagramm

Abbildung 7 zeigt ein typisches 802.3bt-Anwendungsdiagramm für ein Powered Device (PD). Von links nach rechts koppeln Transformatoren die Ethernet 10/100/1000-Daten AC an einen nahegelegenen Prozessor. Die Vollwellengleichrichtung wird von GreenBridge™ 2 erreicht und verbraucht weniger Strom als die herkömmliche Siliziumdiodenbrücke. Der NCP1095 von ON Semiconductor ^® (Pin 7) stellt den 25kΩ-Erkennungs-Pulldown-Widerstand dar, während die Pins 2 und 3 den Leistungsbedarf des PD nach Klasse (Widerstandswerte) bestimmen, die während der Klassifizierungsereignisse nach dem Anbringen an die PSE übermittelt werden. Die Pins 6, 8, 9 und 10 steuern gemeinsam den Einschalt- und Überstromschutz (OCP) mit einem externen Rsense- und Pass-Gate. Die Drei-Bit-Kommunikation zu einem Begleitprozessor wird an den Pins 13, 15 und 16 durchgeführt. Pin 14 PGO-Pin informiert ein nachgeschaltetes DCDC-Gerät, wenn die Leistungsabgabe gut ist. Pin 4 ermöglicht das Einschalten des NCP1095 über eine lokale Hilfsversorgung, während Pin 6 Autoclass steuert, eine neue Funktion von 802.3bt.

Abbildung 7:802.3bt-Anwendungsdiagramm

ON Semiconductor bietet auch den Controller NCP1096 an, der sowohl den externen FET als auch Rsense integriert.

Sie können Silizium codieren

Sicherungen, Schutzschalter und Erdungsdrähte sind relativ stumpfe Instrumente zur Vermeidung von elektrischen Bränden, insbesondere im Vergleich zu den Merkmalen von IEEE 802.3bt. Die angebotenen Power-Provisioning-Funktionen wie Classification, Autoclass, Inrush und MPS sind weit überlegen. Mit Netzstrom können beispielsweise in Wänden oder Decken versteckte Nagetiere ohne Vorwarnung leicht einen elektrischen Brand verursachen. Im Gegensatz dazu, wenn das PD nicht alle 400 ms ein MPS an das PSE liefert, unterbricht das PSE automatisch die Stromversorgung des PD.

Man kann sich leicht vorstellen, eine PSE zu codieren, um ungeplante Unterbrechungen zu erfassen, was eine Frühwarnung an die IT-Abteilung auslöst und potenziell katastrophale Ereignisse wie Gebäudebrände verhindert. In der Zwischenzeit weisen Classification und Autoclass intelligent genau die Leistung zu, die eine Last benötigt. Dies ist eine sehr sichere und effiziente Möglichkeit, Strom zu verteilen. Wie bereits erwähnt, ist Silizium viel billiger als Kupfer und man kann Silizium kodieren, aber man kann Kupfer nicht kodieren.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power . veröffentlicht Elektroniknachrichten.

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Bob-Karte ist Americas Marketing Manager, Advanced Solutions Group bei ON Semiconductor.

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