SPoE (Single-Pair Power over Ethernet) åbner nye anvendelsesmuligheder

Power over Ethernet (PoE) har været tilgængeligt i årevis for at levere strøm via Ethernet-kabler, men dets appel har været begrænset af en afstandsbegrænsning på 100 meter eller mindre. Nu er der en game-changer med SPoE (single-pair power over Ethernet), en IEEE-standardiseret teknologi, der gør det muligt at overføre strøm og data over lange afstande ved hjælp af et enkelt snoet par i et Ethernet-kabel, hvilket åbner et nut område for innovative anvendelser.

Ethernet er veletableret og udbredt til datakommunikation mellem enheder og bruger fire par snoede kobberledninger til at transportere datasignaler, hvor hvert par transporterer én retning af datastrømmen. Enheder, der bruger Ethernet, kræver generelt også en separat strømforsyning, hvilket øger omkostningerne til ledningsføring og installation.

PoE (Power over Ethernet) blev udviklet som en udvidelse af Ethernet-standarden, så enheder kan modtage både data og strøm via det samme kabel ved at bruge to par ledninger til at transportere data og de to andre til at forsyne enheder med strøm.

PoE kan levere op til 90 W strøm over en maksimal afstand på op til 100 m. Det har skabt PoE-applikationer som IP-kameraer, trådløse adgangspunkter, VoIP-telefoner og intelligente belysningssystemer, der kan installeres og forsynes med strøm via et enkelt kabel. Men ud over afstandsbegrænsningen omfatter andre PoE-udfordringer behovet for store og dyre stik og kabler, der kan håndtere høje strømme og spændinger, effekttab og varmeafledning.

Introduktion til SPoE

Ved kun at bruge ét par ledninger til at transportere både data og strøm kan SPoE opnå datahastigheder på op til 1 Gbps og levere op til 52 W strøm over kabellængder på op til 1 km (figur 1) ved hjælp af mindre og omkostningseffektive stik og kabler, der er kompatible med eksisterende RJ45-stik.

Figur 1: Et SPoE-system til overførsel af op til 52 W strøm. (Billedkilde: Analog Devices)

Med reducerede omkostninger og enklere implementering er SPoE velegnet til en lang række anvendelser i industri-, bil-, bygningsautomatiserings- og IoT-miljøer, hvor det enten er upraktisk, uoverkommeligt eller begge dele at installere nye kabler eller udelukkende stole på trådløse LAN'er. Det giver omfattende systemtelemetri til overvågning af energitransmissionstilstanden, fejldetektering og overspændingsbeskyttelse.

I et industrielt miljø kan SPoE forsyne sensorer og kontrolenheder med strøm over lange afstande uden at skulle tilføje lokale strømkilder, hvilket forenkler netværksinfrastrukturen, reducerer installationsomkostningerne og giver central strømstyring. Den kan bruges til at levere strøm via eksisterende Ethernet-kabler, hvilket gør tilføjelsen af SPoE-kontakter og -afslutninger til en hurtig og relativt enkel proces.

SPoE er en del af IEEE 802.3-standarden - IEEE 802.3 cg for 10 Mbps Ethernet over et enkelt snoet par (10Base-T1L) - og giver en udvidelse af IEEE 802.3bu, PoDL (Power over Data Line) standarden. PoDL bruges i systemer op til 40 m og med 12, 24 eller 48 volt; SPoE fungerer med en spænding på 24 V eller 55 V op til 1000 m.

SPoE er ideel til applikationer, der har brug for lav til medium effekt og høje datahastigheder over lange afstande, hvilket ikke er muligt eller økonomisk for PoE.

Potentielle anvendelser for SPoE omfatter:

• Operationelle teknologisystemer, hvor pålidelig kommunikation og strømforsyning er afgørende for processtyring og automatisering
• Bygnings- og fabriksautomatiseringssystemer, der kan overvåge og styre miljø- og maskinparametre
• Feltinstrumenter som sensorer og aktuatorer, der kan anvendes med større fleksibilitet og færre omkostninger
• Sikkerhedssystemer, f.eks. til adgangskontrol og overvågning, hvor SPoE lettere kan skaleres
• Trafikstyringssystemer, der kræver konsekvent drift og tilslutning
• Strømforsyning og styring af IoT edge-enheder
• Fjernstyret strømforsyning til digital skiltning og udendørs belysning

Overvejelser om SPoE-design

SPoE bruger "fantomstrøm"-teknikken til at lægge strømsignalet over datasignalet på det samme par ledninger, hvilket kræver komplekse controllere i hver ende af kablet for at adskille og regulere strøm- og datasignalerne. Applikationer skal også tage højde for effekttab og varmeafledning langs kablet, hvilket kan påvirke systemets ydeevne og pålidelighed.

En controller til strømforsyningsudstyr (PSE) sørger for sofistikeret strømstyring og -konvertering, der sikrer, at strømforsyningen er sikker, stabil og effektiv. Den fungerer i kombination med PD-controllere (powered device), der modtager energi via det 2-ledede kabel.

PSE-controllere, der er designet til flere kanaler, kan forsyne forskellige eksterne enheder med strøm, f.eks. sensorer. LTC4296-1 (figur 2) fra Analog Devices, Inc. (ADI) er f.eks. en SPoE-controller med 5 porte, der kan forsyne op til fem belastninger med energi over fem linjer, hver på op til 1000 m i længden. Den leverer strøm ved hjælp af eksterne N-kanals metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET'er) med lav drain-til-source on-modstand (R_DS(ON)), som minimerer spændingsfald og sikrer robusthed i applikationen.

Figur 2: ADI's 5-port LTC4296-1 controller til strømforsyningsudstyr (PSE). (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 giver en alsidig SPoE, PSE-løsning til 10BASE-T1L-controllere og kontakter og kan nemt integreres med ADIs 10BASE-T1L-transceiverporteføljekomponenter, såsom ADIN2111CCPZ-R7 2-port-enheden, som integrerer en switch, to Ethernet physical layer (PHY)-kerner med en MAC-grænseflade og tilhørende analoge kredsløb, et overvågningskredsløb til spændingsforsyningen og POR (power-on reset)-kredsløb. Transceiveren giver direkte forbindelse til en række controllere via et serielt perifert interface (SPI).

I den anden ende er LTC9111RDE#PBF en af flere PD-controllere fra ADI, der giver et driftsområde på 2,3 V til 60 V med polaritetskorrektion (figur 3). Controlleren styrer klassificeringen og overvågningen af linjetransmissionen og driver to eksterne N-kanal MOSFET-kontakter under klassificeringen med mikroeffektdrift for at minimere kravene til reservoirkondensatorer. En ekstern N-kanal MOSFET-kontakt isolerer udgangskapacitansen fra stikket under klassificering og indløb.

Figur 3: En LTC4296-1 SPoE PSE-controller er velegnet til at drive op til fem kanaler, her forbundet med LTC9111 PD-controllere. (Billedkilde: Analog Devices)

LTC9111-seriens controllere præsenterer en gyldig wake-up-signatur til PSE'en for at anmode om strøm. IEEE 802.3cg-kompatible PSE- og PD-controllere udfører klassificeringstrinnet ved hjælp af SCCP-protokollen (Serial Communication Classification Protocol); PSE'en sikrer, at PD'en er kompatibel, og hvis det er tilfældet, fortsætter den med at rampe portspændingen. Hvis den betjente elektriske enhed har brug for en anden spænding end 24 V eller 55 V, bruges der en ekstra DC-til-DC-konverter.

ADI leverer også evalueringskittet EVAL-SPoE-KIT-AZ til evaluering af 10BASE-T1L-data og SPoE-strøm over et enkelt parsnoet Ethernet-kabel (SPE). Kittet indeholder LTC4296-1 PSE-controller og LTC9111 PD til evaluering af IEEE 802.3cg klasse 10 til 15 SPoE-strøm og en 10BASE-T1L-transceiver til at levere data i systemet.

Implementering af SPoE-applikationer

Produktdesignere skal optimere strømbudgettet og effektiviteten i deres SPoE-løsninger og tage højde for parametre som kabellængde, diameter, modstand, temperatur og miljø.

At afbalancere strømforsyningen med datatransmission over et enkelt parsnoet kabel giver udfordringer, f.eks. at sikre tilstrækkelig strøm til eksterne enheder og samtidig bevare dataintegriteten over potentielt lange afstande.

Strømforsyning via lange kabler ved 24 VDC-forsyningsspændingen, som er almindelig i mange OT-installationer, er udsat for betydelige tab på grund af kabelmodstand. SPoE er specificeret i IEEE 802.3cg-standarden til at fungere ved en spænding på 24 V eller 55 V, så designere kan drage fordel af øget effektivitet i strømforsyningen nær den maksimale ekstra lave sikkerhedsspænding (SELV) på 60 V.

Konklusion

SPoE er en ny teknologi, der muliggør samtidig overførsel af data og strøm via et enkelt snoet par i Ethernet-kabler. Det kan reducere omkostninger, kompleksitet og miljøpåvirkning af netværksinfrastrukturer og give mere fleksibilitet, skalerbarhed og pålidelighed for forbundne enheder. ADI's portefølje af IEEE 802.3cg-kompatible PSE- og PD-controllere kan forenkle design og implementering af SPoE-applikationer med høj effektivitet og lav støj, hvilket gør dem ideelle til industri-, bil- og intelligente bygningssystemer, der kræver robuste og pålidelige tilslutningsmuligheder.