A Power over Ethernet-technológia térhódítása – az áramellátási képesség növekedése

Az évek során az Ethernet-specifikációk fejlesztései elsősorban az adatátviteli sebesség növelésére koncentráltak, azonban a 2003-ban elfogadott 802.3af szabványmódosítással megjelent a Power over Ethernet (PoE), amely az Ethernet-kábelezésen keresztül történő energiaellátás képességét jelenti. Az IEEE 802.3 szabványon alapuló Ethernet-protokoll folyamatosan újabb alkalmazások és piacok felé terjed, amelyek egyre távolabb állnak a protokoll informatikai gyökereitől.

Manapság az Ethernet jelen van a kiskereskedelmi értékesítési egységek eszközeiben, a biztonsági kamerákban és az ipar területén is, köszönhetően az olyan továbbfejlesztett szabványoknak, mint az időérzékeny hálózatok (time-sensitive networking – TSN). Az Ethernet az autóipari alkalmazásokban is megjelenik mint az autonóm járművek alapvető, gyors, megbízható és biztonságos központi hálózata.

Miért a PoE?

Mivel az Ethernet számos új alkalmazási terület (mint például VoIP-kommunikáció, biztonsági kamerák, automatizációs rendszerek) hálózati interfészeként kezdett elterjedni, vonzóbbá vált az a költségtakarékos és kényelmes megoldás, amely egyetlen kábelen biztosítana az adatátvitel mellett áramellátást is. A PoE egyszerűvé teszi a hálózati infrastruktúra eszközeinek (hálózati elosztók, vezeték nélküli hozzáférési pontok) fizikai telepítését, mivel használatával nem kell többé az elektromos hálózatot is kiépíteni minden hálózati eszközhöz. A PoE áramkimaradás esetén az alapvető infrastruktúra eszközeinek vészhelyzeti áramellátását is képes lehet biztosítani.
A PoE-energiaellátású berendezések felhasználása tovább terjed a kiskereskedelmi, a gyártási, a biztonságtechnikai és a beléptető berendezések piacán, ezzel is egyre nagyobb nyomást gyakorolva a PoE szabványt kezelő szervezetekre, hogy növeljék a technológia energiatovábbítási kapacitását.

1. ábra Egy 802.3af-kompatibilis PoE-kiépítés két csavart érpárt használ

A PoE szabvány fejlődése

A PoE alapfelépítése tartalmaz egy tápellátást biztosító berendezést (power sourcing equipment – PSE), amelyből az áram a távtáplált eszközökbe (powered device – PD) kerül továbbításra. A manapság elérhető hálózati berendezések többsége PSE-képes, vagy az a megrendelés során opcióként igényelhető. A végponti (endpoint, endspan) PD-k beépített áramkörökkel rendelkeznek a működésükhöz szükséges áramellátás Ethernet-hálózatból történő leválasztására. A már meglévő, régebbi telepítésű PoE-képes switchekkel nem rendelkező Ethernet-hálózatokban közbeiktatott (midspan) tápfeladók biztosítják a végponti berendezések számára szükséges tápellátást. A végpontoknál PoE-szétválasztó eszközök gondoskodnak az energia- és adatjelek szétválasztásáról, és a régebbi, nem PoE-képes endspan-eszközök hagyományos módon, szabályozott egyenfeszültséggel történő tápellátásáról.
Az eredeti, 802.3af számú, 2003-ban kiadott PoE szabvány a Cat5 Ethernet-kábel négy csavart érpárjából kettőt használ (1. ábra).
A PoE szabvány megenged bizonyos nagyságú teljesítményveszteséget, a terhelési feszültséget pedig 37-57 V érték között írja elő. A tápellátási képesség 12,95 watt, amely 350 mA 37 V-on történő leadásán alapul (2. ábra).

2. ábra PoE szabványok, típusok és osztályok

A több energia iránti egyre növekvő igény újabb szabványok megjelenését eredményezte, elérve a 8. osztályú berendezések 90 wattos energiaellátási képességéig. A 802.3bt szabványt (más néven PoE+) implementáló 5. és annál nagyobb osztályba tartozó, 3-as típusú berendezések mind a négy érpárt felhasználják energiatovábbításra. A PSE által biztosított feszültség nagysága eszköztípusonként eltérő. Egy 4-es típusú berendezés esetében a feszültségszint 52-57 V közötti tartományban mozoghat, maximálisan 960 mA áramerősség mellett.
A PoE-technológia használata hamar uralkodóvá vált a biztonsági kamerák esetében. A végpontok számára biztosított 13 wattos teljesítmény megfelelő volt az egyszerű kamerák többsége számára. Azonban a távvezérelhető, mozgatható és nagyításra képes IP-kamerák megjelenésével megnőtt az energiaigény. A 802.3bt bevezetése lehetővé tette az addigi két érpár helyett mind a négy érpár energiatovábbításra történő használatát. Ahogy nőtt a PoE energiatovábbítási kapacitása, további alkalmazási területek nyíltak meg a technológia előtt. Ezek egyikét jelentették az épületautomatizálási rendszerek, amelyek a modern irodák fűtését, szellőztetését, világítását és beléptetési rendszereit képesek vezérelni. A világító LED-szalagok és azok vezérlőegységei immár PoE-rendszeren keresztül is kezelhetők.

3. ábra PoE energiaellátási architektúra szimpla és dupla vonal használatával

A négy érpárt használó kialakítással a 802.3bt szabvány lehetővé tette két, más feszültségszintű érpár használatát egy távtáplált eszközön belül. Ez a megközelítés lehetővé teszi különböző feszültségű áramkörök (például +3,3 V és +5 V egyenáram vagy egy +/- 12 V tápáram) kialakítását. Az áramellátás két módja (szimpla- és duplavonalas) a 3. ábrán látható.
Ahogy a PoE egyre több hálózati eszközben (különösen a fogyasztói és kereskedelmi berendezések esetében) kezdett megjelenni, az Ethernet-szövetség (Ethernet Alliance – EA) egyre inkább fontolóra vette egy PoE-tanúsítványi rendszer kidolgozását, amelynek segítségével gyors és egyszerű módon biztosítható az interoperábilis termékek könnyű azonosíthatósága. A 4. osztályig terjedő, két érpárt használó alkalmazások tanúsítási rendszere (EA1 néven) már folyamatban van, a 8. osztályig terjedő EA2 bemutatása is várható. Egy hivatalos tanúsítványi rendszernek való megfelelés minden technológia esetében jelentős hatással van a vásárlási döntésekre, így várható, hogy a PoE-tanúsítvány meglétének feltüntetése a jövőbeli termékek marketingkommunikációjának elengedhetetlen részévé válik. A mérnökök kénytelenek lesznek alaposan megismerni a tanúsítvány által támasztott követelményeket és tesztelési elvárásokat, és a fejlesztési folyamatban megfelelő időt szentelni az ezekre való felkészülésre. Az egyetlen, az Ethernet-szövetség által elfogadott PoE-minősítést végző tesztintézet a New Hampshire-i Egyetem.

4. ábra A Silicon Labs Si34071 PoE integrált áramkörének működési diagramja

A PoE alkalmazása a tervezésben

A PoE-képesség végponti eszközökben történő kivitelezésének szükséges összetevői a tápegységből kapott energia leválasztása, az Ethernet-hálózat vezérlése, illetve az energiaátalakítás. Ezeket a funkciókat sok gyártó egyetlen PoE-áramkörbe integrálja.
A Silicon Labs Si34071 jelzésű terméke egy helytakarékos megoldás, amelynek működéséhez minimális mennyiségű külső alkatrész szükséges. A 8. osztályú 802.3bt szabványnak teljes mértékben megfelelő Si34071 beépített, nagy hatásfokú, csúcsáram-üzemmódú DC/DC átalakítóval rendelkezik. Konfigurálható kapcsolási frekvenciát kínál, mindezt kis méretű, 5 × 5 mm-es QFN-tokozásban. A vezérlő mikrokontrollerhez UART-interfészen keresztül kapcsolódik. A 4. ábrán látható az Si34071 működési blokkdiagramja, az 5. ábra pedig az Si34071 Si34071AC5V8KIT PoE-kiértékelőpanelen történő használatát mutatja be.

5. ábra Egy 8. osztályú végponti eszköz 71 wattos interfész használatának egyszerűsített blokkdiagramja a Silicon Labs Si34071AC5V8KIT típusú kiértékelőpanelén

Az Si34071AC5V8KIT-kiértékelőpanel egyvonalas 5 V, 14 A kimenetet biztosít, izolált, nyitóüzemű topológával rendelkező DC/DC-feszültségátalakítójának hatékonysága 91%-nál magasabb. Kialakítása magában foglalja az automatikus osztályváltást, az átmeneti és a túlfeszültség elleni védelmet.
A PSE-oldali fejlesztésekhez a Silicon Labs Si3474 PSE IC négy 90 wattos, 802.3bt-kompatibilis PoE-portot vagy nyolc darab 30 wattos 802.3at/af PoE-portot képes biztosítani.
A Microchip PSE-, és PD-oldali integrált áramkörök és fejlesztőkészletek átfogó kínálatával támogatja a PoE-alkalmazások prototípusainak fejlesztését. A Microchip PD69208T4 egy PoE-tápellátó IC a Microchip PD69210 típusú kontrolleréhez. A 802.3af, /at és /bt szabványoknak teljes mértékben megfelelő PD69208T4 akár 8 darab, 2 vagy 4 érpárt használó portot támogat, 95 wattos kimenő teljesítményével megfelelve a 4-es típusú végponti eszközök követelményeinek is. Ezek a PSE-IC-k PoE-switchekben, routerekben és midspan-egységekben egyaránt alkalmazhatók. Felhasználhatók ipari automatizálási berendezések széles körében és LED-es világítási rendszerek vezérlésében.
A Microchip komplett midspan PoE-tápfeladókat (injektorokat) is kínál, ilyen például a PD9501GCO. Ezt az egyportos midspan-egységet IP67-es védelmi besorolásával kültéri használatra szánják, ideális olyan szabadtéri felhasználásokra, mint biztonsági kamerák és vezeték nélküli hozzáférési pontok. Visszafelé kompatibilis a 802.3at és 802.3af szabványokkal.
Az STMicroelectronics szintén számos PoE végponti eszközt tart kínálatában. A PM8805 egy egyvonalas IEEE 802.3bt szabványú PoE-végponti interfész, amely diódák helyett kisebb feszültségvesztésű kettős aktív MOSFET hídkonfigurációval rendelkezik.

Összefoglalás

A kezdeti, aránylag alacsony teljesítményt követően a PoE mára számos olyan alkalmazásnál a tápellátás legkézenfekvőbb módszerévé fejlődött, mint például a biztonsági kamerák és az épületautomatizálási rendszerek. A jelenlegi, 90 wattos tápképesség jelentősen kibővíti a PoE-rendszerek felhasználási területét, felgyorsítva az Ethernet-hálózatok új piacokon történő térhódítását.

Szerző: Mark Patrick –

Mouser Electronics

Mouser Electronics

Franchised Distributor
www.mouser.com