Power-over-Ethernet (PoE) - Ny IEEE 802.3bt standarden øger teknologien til IoT-applikationer

Der er skrevet mange artikler og blogs om PoE-teknologi og dens koncept. Et eksempel er Digi-Keys “En introduktion til Power-over-Ethernet”Artikel.

Denne artikel analyserer og understreger de nye funktioner introduceret med den nyeste IEEE 802.3bt standard til dagens IoT (Internet of Things) verden, hvor alle ("tingene") er forbundet, kontrolleret og overvåget via Internet.

Forbedringer af IEEE 802.3bt

Den første og den vigtigste forbedring i 802.3bt standarden er muligheden for at overføre meget mere strøm til edge-enheder (drevne enheder eller PD'er) - 71,3 W, mens du sender 90 W fra siden med strømforsyningsudstyr (PSE).

Yderligere understøtter det op til en overførselshastighed på 10 Gb/sek for netværksenhederne via Cat5e-kabling.

Disse to forbedringer i strømforsyning og signalhastighed gør det muligt for utallige nye IoT og især IIoT (Industrial IoT) kraft-hungrige og højhastighedsenheder at blive drevet af PoE-teknologi. Følgende er nogle eksempler på disse nye applikationer:

• Professionel audio
• Digital signering
• 5G radioenheder til små celler (mobil infrastruktur: 3G-, 4G- og 5G-teknologier)
• 802.11ac trådløse access point's (WAP'er)
• Trådløse lokalnetværk med høj kapacitet (WLAN)
• Industriel adgangskontrol
• Belysning
• Smart-hjem
• Bygning/fabriksautomation
• POS-terminaler (Point of Sale)
• Informationskiosker
• Udendørs IP-kameraer med varmeapparater
• Monitorer/laptops
• Digital loftsbelysning

Nye funktioner i IEEE 802.3bt

Den nye PoE IEEE 802.3bt-standard definerer flere nye funktioner og forbedringer sammenlignet med den ældre 802.3at-standard, der har resulteret i strømbesparelse og øget effektivitet; Som igen muliggør at flere edge-enheder kan bruge PoE-teknologi.

I princippet består en IoT-platform af fire byggesten:

• Detektering/overvågning
• Processering (MCU)
• Forbindelse (trådløs eller kablet)
• Strømstyring

De nye funktioner/forbedringer af IEEE 802.3bt-standarden er gavnlige for strømstyringsblokke til IoT, der er nævnt ovenfor. Fire af disse nye funktioner/forbedringer inkluderer kort vedligeholdelse af strømsignatur (MPS), autoklasse, enkelt-/dobbelt-signatur af PD og udvidet strøm til PD, som diskuteres nærmere i afsnittene nedenfor.

Short Maintain Power Signature (MPS) - MPS er det minimale strømforbrug, der trækkes af en PD der holder PD'en i live og ikke kobles fra PSE'en. PSE'en kræves for at fjerne strøm, når MPS'en er fraværende i mindst 400 ms, og sikrer at frakoblede kabler ikke forbliver tilsluttet strøm.

Derudover har næsten alle PD'er i IoT-applikationer lav strøm- eller har dvaletilstand. Sådanne PD'er skal trække en højere strøm for at forblive tændte og modarbejder ideen om at have dvaletilstand med lav effekt. Kort MPS løser dette problem ved at reducere driftscyklussen og hvor længe der skal genereres en strømsignatur for at opretholde en strømforbindelse. Denne ændring forbedrer den minimale dvale-effekt med en faktor på 10, hvilket gør det muligt for IoT-edge-enheder at blive drevet med PoE og have acceptabel dvale-effekt.

I IoT-applikationer, hvor et stort antal af enhederne bruger PoE, som f.eks. LED-belysning, er det vigtigt at reducere dvale-effekten.

Autoclass - Autoklasse gør det muligt at optimere fordelingen af PSE-strømforsyningsbudgettet til PD'en. I det væsentlige "måler" PSE Ethernet-kabeltabene strømforbruget på den tilsluttede PD gennem en defineret periode, og "ved" at levere "faktisk" strøm til denne PD, snarere end en højere "tildelt" strøm defineret af PD-klassen. Dette gør det muligt for den samme PSE at føde flere PD'er, og derved flere IoT-edge-enheder.

Enkelt/dobbelt signatur af PD - IEEE 802.3bt-standarden understøtter to PD-konstruktioner: Enkelt-signatur- og dobbelt-signatur-PD. PSE skal understøtte både enkelt- og dobbelt-signatur PD'er.

Enheder med dobbelt-signatur muliggør applikationer, der kræver op til det samme maksimale effektniveau som enheder med enkelt-signatur og giver den ekstra fleksibilitet i forskellige og isolerede belastningskonfigurationer. Et eksempel på dette kan være et udendørs overvågningskamera, der skal drives sammen med en varmeapparat eller køleventilator for at kontrollere ekstreme temperaturforhold. Et andet eksempel kunne være IIoT-applikationer med redundante kredsløb, der bruges til pålidelighed og sikkerhedsformål, der drives alternativt, men ikke på samme tid.

Figur 1 viser konceptet med dobbelt-/enkelt-signatur.

Figur 1: Koncepter med enkel-/dobbel-signaturer (Billedkilde: Microchip)

Mere teknisk information om IEEE 802.3bt PD'er med dobbelt-signatur kan findes på Ethernet Alliance (EA)-websted.

Udvidet strøm til PD - IEEE 802.3bt standarden definerer en maksimal effekt på 90 W, som en PSE-enhed kan sende, og 71,3 W, som en PD-enhed kan modtage. Dette effektfald fra PSE til PD tager højde for det maksimale tab på 19 W gennem hele kabellængden på de maksimale 100 meter, defineret af Ethernet-standarden. Med den nye IEEE 802.3bt-standard kan PD måle kabelmodstanden, beregne den effekt, der vil gå tabt i kablet, og give strøm tilstrækkelig høj til at kompensere for den tabet 19 W maksimale effekt, der bortledes af 100 meter kablet. Hvis afstanden fra PD til PSE er mindre end 100 meter, kan PD'en leveres mere end 71,3 W. Hvis kabellængden for eksempel er i området 2 – 5 meter, kan strømmen, som PD'en kan modtage fra PSE, være tæt på 90 W, som PSE sender.

IEEE 802.3bt forbedringer i strømeffektivitet

Selvom de ikke er udtrykkeligt defineret af 802.3bt standarden, men tæt på dens ratificering og i ånden af strømstyringseffektiviteten og IoT-applikationskravene, har flere førende PoE IC-leverandører forbedret designet af deres chips for at imødegå strømeffektivitet.

Figur 2: PoE-bloktopologi (Billedkilde: Microchip)

Inden man ser på figur 2, skal funktionaliteten af både PSE og PD defineres.

For PSE kan funktionalitetskravene kort opsummeres som følger:

• Registrer en gyldig PD
• Klassificer PD-kapaciteten
• Giv PD til 4 W til 90 W ved 44 til 57 volt
• Udfør strømoptimering og tildeling
• Udfør fejldetektering og afbrydelse, når dette er nødvendigt
• Luk strømmen til den relevante port, hvis der opdages en tilstand med understrøm
• Sørg for beskyttelse mod overspænding
• Sørg for isolering fra afbryderkredsløb

Tilsvarende er et resumé af funktionaliteten af en PD som følger:

• Sørg for polaritetsbeskyttelse
• Giv signaturer til detektion og korrekt klassificering
• Udfør strømoptimering
• Sørge for isolering
• Sørge for en valgfri bias til DC/DC-opstart
• Konverter 57 V ned til den krævede regulerede forsyningsspænding, der bruges af applikationen

Som det kan ses i figur 2, sendes strømmen fra PSE gennem ethernet-kablet til PD'en. PD'ens diode bridge-chip ensretter derefter kabelspændingen. Med 2-par PoE-systemer kan spændingen leveres over enten datapar eller reservepar, men ikke begge dele. Med 4-par PoE-systemer defineret af IEEE 802.3bt er alle par forsynet.

Derfor kræves der to broer inde i PD'en (figur 3).

Figur 3: To broer inde i PD'en (Billedkilde: Analog Devices/Linear Tech)

Den konventionelle diodebro-løsning har flere ulemper:

• Højt strømtab forårsaget af faldet i kabelspænding
• Høj varmeafledning
• Kræver yderligere overvejelser om termisk design

På grund af ovennævnte ulemper er brugen af traditionelle diodebroer i mange IoT-applikationer meget problematisk, hvis ikke umulig.

En mere effektiv løsning end diodebroen er den såkaldte IdealBridge^™, først introduceret af Microsemi (nu Microchip). Denne løsning er en N-kanals MOSFET-baseret bro med en controller.

Forskellene mellem en dobbelt konventionel diodebro og en enkelt IdealBridge er vist i figur 4.

Figur 4: Dobbelt konventionel diodebro kontra en enkelt IdealBridge™ (Billedkilde: Microchip)

Fordelene ved IdealBridge inkluderer:

• Den fuldt integrerede løsning reducerer BOM og sparer plads til PCB og forenkler implementeringen
• Selvkørende kredsløb til MOSFET'er
• Lav R_{DS (ON)}, lavt strømforbrug
• Maksimering af effektivitet, leverer højere udgangseffekt og spænding
• Dramatisk reducerer varmeafledning, hvilket eliminerer problemer med termisk design og behovet for en køleplade
• Benyttes med 2-par og 4-par PoE-applikationer
• Kompatibel med IEEE 802.3xx standarder

Microsemi/Microchip introducerede den første IdealBridge™-løsning med PD70224. Andre lignende løsninger fra andre leverandører er Analog Devices/Linear Tech's LT4321, ON Semiconductor's FDMQ8205A 1-kanals ideel diode (ikke en bro), og STMicroelectronics PM8805 integreret løsning (IdealBridge integreret i en PD IC-chip).

Konklusion

Den nyeste IEEE 802.3bt standard tilføjer nye funktioner til PoE-teknologien og forbedrer de eksisterende. Disse funktioner udvider rækkevidden af edge-enheder, der kan tilsluttes ved hjælp af PoE-konceptet og understøtter således mange nye IoT-applikationer.

For at understøtte infrastrukturer, der ikke er PoE, er der forskellige mellemløsninger, såsom midspans/injektorer og strømdelere. Det er dog vigtigt at bemærke, at IEEE 802.3bt er en temmelig ny standard, og mange leverandører har tilbudt produkter på dette område inden det blev ratificeret i slutningen af 2018. For at udnytte fordelene ved IEEE 802.3bt's nye funktioner og opretholde interoperabilitet mellem leverandørerne, skal dele og produkter være kvalificerede til denne IEEE 802.3bt standard, som eksplicit skal angives i databladene.