Съвременни компоненти и модули за захранване по Етернет (PoE)

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 4/2017 • 23.06.2017

Съвременни компоненти и модули за захранване по Етернет (PoE)
Съвременни компоненти и модули за захранване по Етернет (PoE)

Стефан Куцаров

Cъздадената през 2003 г. концепция за постояннотоково захранване по локална кабелна мрежа Етернет (Power over Ethernet, PoE) бързо надхвърля първоначалния замисъл за свързване на работещи през Интернет телефони (IP Telephone) с един вместо с два кабела и се разширява към такива за видеоконферентни връзки, точки за достъп на локални безжични мрежи (Wireless LAN Access Point), клетки на GSM-мрежата, хибридни мрежи (HetNet), камери за видеонаблюдение, устройства за обмен на данни със скорости до 10.2 Gbps, за HD телевизия (HDBaseT), осветителни системи и др.

Резултатът е, че още в периода 2006-2011 г. световното производство на изделия с PoE нараства от 50 на 260 млн. Независимо че PoE може да изглежда остаряло на фона на темповете на развитие на електрониката и особено на безжичните технологии, реално то запазва и разширява значението си.

 

Същност и стандарти на захранването по Етернет
За осъществяването на връзките могат да се използват кабели Cat3, Cat5, Cat5e или Cat6, но обикновено се предпочитат Cat5 и Cat5e. Двата начина за свързване на 4-те им двойки усукани проводници в мрежите с максимална скорост 10 Mbps и 100 Mbps са дадени на фиг. 1а, б, като PD е захранваното устройство с масово използвани наименования PoE Endpoint и PoE Switch и конструктивно то може да е самостоятелен прибор или част от рутер.

Блокът PSE е за едновременно осигуряване на захранването и обмена на данни и в масовия случай той може да свързва към Етернет повече от един PD. Същото действие може да се осъществи и чрез схемата на фиг. 1в, реализирана с класически Етернет комутатор (Ethernet Switch) EthSw без възможност за осигуряване на захранване и прибора Midspan (или Midspan Hub), в който към обмена на данни се прибавя и захранване.

На фиг. 1а е показано ползването само на усуканите двойки за данни (Signal Pairs, Data Pairs), докато другите две остават несвързани (Phantom Power, 10/100Base-T Alternative A), а на фиг. 1б е отделното захранване чрез Spare Pairs (No Phantom Power, 10/100Base-T Alternative B). В мрежите за 1000 Mbps обменът на данни се извършва само по 4-те двойки (Phantom Power), като в зависимост от това кои две от тях са и за захранване има 1000Base-T Alternative А и 1000Base-T Alternative В.

Блокът DC/DC Converter в PD е ключов стабилизатор за получаване на необходимите постоянни напрежения и има на входа си схема Грец за фиксиране на полярността на входното му напрежение независимо от тази по линията. Куплунгите на кабелите са RJ45 и номерацията на изводите е дадената на фиг. 1а, б.

Според стандарта IEEE802.3af блоковете PSE и PD са с типично напрежение за захранване 48 V, а основните им електрически параметри са на фиг. 1г – максималният постоянен ток Imax е 350 mA при максимална доставяна мощност Poutmax на PD от 12,95 W и параметри на линията (при допустимата дължина 100 m на 4-те й проводника) максимално съпротивление, максимален пад на напрежение и максимална разсейвана мощност върху нея съответно 20 ома, 7 V и 2,45 W.

Полезно е да се има предвид, че входното напрежение на приборите за PSE може да се осигурява и от UPS и че Imax и Poutmax се отнасят за всяка от линиите им, например с 24 линии се осигуряват 8,4 А и 370 W. Реално стандартът предвижда наличието в зависимост от мощностите на 4 класа прибори с общо наименование Type 1. Тези от клас 0 имат дадената на фиг. 1г мощност Poutmin и Pinmax=0.4,W-12,95W.

За класове 1 (Very Low Power) и 2 (Low Power) мощностите са Poutmin съответно 4 и 7 W и Pinmax в границите 0,44W-3,84W и 3,84W-6,49W, а в клас 3 (Mid Power) отново Poutmin е според фиг. 1г, но Pinmax=6,49W-12,95W. Част от стандарта е механизмът за разпознаване от PSE на класа на PD.

Разновидността на стандарта от 2012 г. с означение IEEE Std 802.3-2012 e за максимални скорости на обмен 10, 100 и 1000 Mbps, като допуска ползването и на 4-те двойки проводници за захранване и данни. В него към показаното на фиг. 1а свързване е прибавено аналогично за двойките 4-5, 7-8 от същия източник на постоянно напрежение.

Резултатът е намаляване наполовина на разсейваната мощност върху проводниците и съответно загубите на енергия по линия с определена дължина. Друга възможност е осигуряване на PD на 2 пъти по-голяма мощност в сравнение с фиг. 1а. И не на последно място, свързването може да се използва и за най-новия стандарт IEEE P802.11ac със скорост на обмен 10 Gbps.

PoE+. Описаното дотук захранване и определените в стандарта му параметри съответстват на термина PoE. Появата на множество прибори, изискващи по-голяма мощност (точки за многолентов безжичен достъп на интерфейса IEEE802.11n, някои нови камери за видеонаблюдение, IP телефони с видеодисплеи, прибори за радиочестотна идентификация RFID, сградни охранителни системи, POS терминали и др.) наложи създаването на PoE+ с основно означение Power Over Ethernet Plus (PoE Plus и PoE High Power).

Неговите параметри са описани в стандарта IEEE802.3at от 2009 г., който изисква ползването на кабели Сat5, Cat5e, Cat6, Cat6A, Cat7 или Cat7a отново с куплунги RJ-45, максимална дължина 100 m и вече описаните свързвания, които да работят при околна температура до +50°С. За 10/100Base-T няма промени, докато в 1000Base-T се ползват 4-те двойки проводници, а за захранване – две от тях.

Свързването Mode A e дадено на фиг. 2 (за простота е показано само това на PSE), докато аналогичното Mode B ползва за UPSE двойките 4-5 и 7-8. В съответствие със съществуващите принципи стандартът включва без промяна на 4-те класа PSE и PD на IEEE802.af с общо наименование Type 1 заедно с клас 4 (Type 2) с Imax=600 mA, напрежение от PSE между 50 и 57 V, допустимо напрежение за PD от 47 до 57 V, максимална мощност 30 W от PSE и доставяна на PD мощност между 12,95 и 25,5 W. Именно поради последните интерфейсът е наречен High Power.

PoE++. По-нататъшното увеличаване на доставяната мощност, например за малки клетки на GSM-мрежата, системи за LED осветление на помещения и др., налага това да се прави чрез използване на 4-те двойки проводници (4 Pair POE, 4PPOE), което е залегнало в стандарта IEEE802.3bt с очаквано утвърждаване през настоящата година.

В него е предвидено блокът PSE да има два изхода с еднакво UPSE, всеки от които захранва две двойки (1-2/3-6 и 4-5/7-8). При необходимост от едно захранващо напрежение в PD (Single Signature PD) изводите се свързват успоредно, докато в Dual Signature PD те се използват за различни блокове, например в работещи навън видеокамери едното захранва самата камера, а второто е за нагревателя й.

В стандарта са запазени 4-те класа и двата типа от PoE и PoE+, към които са прибавени Type 3 с Imax=600 mA и UPSEmin=50 V и класове 5 (Poutmin=45 W и Pinmax=40 W) и 6 (Poutmin=60 W и Pinmax=51 W) и Type 4 с Imax=1000 mA и UPSEmin=52 V и класове 7 (Poutmin=75 W и Pinmax=62 W) и 8 (Poutmin=90 W и Pinmax=73 W).

Максималната Pout за последния клас е 99 W, поради което често стандартът се нарича 100-ватов и популярност започва да добива наименованието 802.3bt Ultra PoE. Ползват се кабели най-малко Cat5e, като по-големият ток обуславя повишеното им загряване.

По тази причина след публикуването на стандарта трябва внимателно да се разучат както дадените в него, така и съпътстващи го фирмени материали и подробности по този въпрос, тъй като са възможни случаи максимално допустимата дължина на кабелите да е под 100 m. Важно е да се добави, че от стандарта се очаква обмен на данни с 10 Gbps и използването му в IoT.

Захранвания извън стандартите на IEEE. Те представляват фирмени разработки и се използват основно в техни прибори. Не са редки случаите на интегрални контролери за PD (например дадените на редове 4 и 11 в табл. 1), които позволяват както работа със стандарти на IEEE, така и с една или повече от фирмените разработки.

Първият пример за захранване извън стандартите е на компанията Cisco със съкращение UPOE (от Universal Power Over Ethernet), която осигурява Imax= 600mA и максимална мощност 60W от PSE, като ползва четирите двойки на кабел Cat5e с куплунг RJ45.

Друг характерен пример е HDBaseT Technology на HDBaseT Alliance със съкратено наименование PoH, която съчетава предаването по един кабел Cat5e отново с максимална дължина 100 m и куплунги RJ45 на некомпресирани сигнали за изображение и звук със скорост до 10,2 Gbps заедно с Етернет 100 Mbps и захранване 95 W.

Накрая ще бъдат споменати двете разновидности UltraPoE (нежелано съвпадение на съкращението с това на 802.3bt) и MegaPoE на компанията Phihong, които осигуряват мощности съответно 60 до 80 и 95 W.

Интегрални контролери за PD
Съществува значително разнообразие в структурите на контролерите, което на първо място се изразява в разпределянето на блоковете и елементите им между вградени в интегралната схема (ИС) и външни. Същността на структурата им се изяснява чрез блоковата схема на фиг. 3, която показва само техните основни възли и която на фиг. 1 а,б символично е означена като DC/DC Converter.

Между входа IN и маса е входното му напрежение (Operating Input Voltage) VPP (означава се и като VPORT) и при включване на PD към него кондензаторът С започва да се зарежда. При напрежението за разпознаване (Signature Voltage) VSIGN блокът Detect замасява извод DEТ и свързването на резистора RSIGN позволява на PSE за 0.5s да “установи” наличието на PD, напрежението на IN да остане и С да продължи да се зарежда.

При класификационното напрежение (Classification Voltage) VCLASS за 75ms чрез съпротивлението на резистора Rcl става разпознаване на класа на PD и ако PSE може да осигури неговия максимален ток зареждането на С продължава.

Обикновено PD позволяват избор на класа им чрез свързване на външен Rcl с давано в документацията им съпротивление. Специфичен пример е PD на ред 1 от табл. 1, който има един извод за Rcl за класове 0-4 и друг за класове 5-8. Работата на PD започва, когато VРР достигне минималното работно напрежение (Turn-On Voltage) VON на ключовия стабилизатор SMPS, той се включва и осигурява напрежението на изхода OUT, чиято стойност се задава чрез RFB1-RFB2 и блока FB.

Когато тя е до около 7 V, се препоръчва SMPS да е тип Flyback заради минималния брой външни елементи, докато за малък собствен шум по-добър е Forward. И двата типа съдържат трансформатор и за реализация на PD с галванично разделяне (Isolated Topology) трябва блокът FB да съдържа оптрон. В PD без галванично разделяне (Non-Isolated Topology) той не е необходим и структурата на PD е Buck Mode.

В зависимост от производителя в PD може да има различни вериги за осигуряване на безопасната му работа, например ограничаване на изходния ток до максимално допустимата му стойност IOUT. Освен това SMPS може да е извън ИС на контролера, да е вграден в нея, да има външен или също вграден мощен транзистор (това е отразено в колона 4 на табл. 1), но трансформаторът или бобината винаги са външни.

В таблицата са дадени основните параметри на ИС на контролери за PD, като специфична особеност на тези на редове 8 и 9 е възможността напрежението VРР да се подава и от мрежов адаптер.

Интегрални контролери за PSE
Идея за структурата им и основните свързвания на външните елементи са на фиг. 4а. Управляващият блок Contr може да е разработен за конкретния PSE, да се ползва съществуващ микроконтролер (например 8051) или микропроцесор. Чрез интерфейса (обикновено I2C и по-рядко SPI) се осъществява връзка с външни устройства, обикновено двупосочна – например I2C има отделни вход SDAIN и изход SDAOUT.

Тъй като PSE работят като управляеми устройства (Slave), обикновено са с адресна шина (например тази в PSE на редове 1 и 3 от табл. 2 е 4-разредна), чиито изводи се замасяват, когато не се използват. Видът и броят на изводите на шината за управление Control зависят от конкретния PSE, например този на ред 2 в табл. 2 има вход RESET, който при лог. 1 включва ИС за нормална работа (при свързани кондензатор или RC-верига към извода включването става със закъснение) и изход INT за генериране чрез лог. 0 на прекъсване на управляващия PSE процесор.

Изход VDD е за постояннотоково захранване (обикновено с 3,3 V) на външни вериги. Отрицателното напрежение на изхода OUT се осигурява от VPWR през резистора RS и MOS транзистора, като чрез пада на напрежение върху RS и блока Meas се измерва изходният ток на PSE, а връзката на OUT с извод Drain е за да може да се измерва и стойността на изходното напрежение – за двете величини в Meas или Contr е предвиден АЦП.

Показаният на фиг. 4а PSE е с един изход, но по-често изходите са повече и за всеки има отделни транзистор и RS. Към дадените в табл. 2 могат да се прибавят сериите на Analog Devices LTC4266х с 4 изхода, LTC4271/LTC4290x с 8 изхода и LTC4271/LTC4270x с 12 изхода.

Съществуват 4 режима за разпознаване и класифициране на PD и подаване към него на захранващото напрежение. При автоматичния (Automatic) първите две стъпки се повтарят непрекъснато до откриване на PD, след което се подава захранването. Двете стъпки съществуват и при полуавтоматичния режим (Semiautomatic), но след откриване на PD се очаква команда от Contr за подаване на захранването, докато при ръчния режим (Manual) за всяка от трите стъпки трябва команда.

При последния режим на изключване (Shutdown) изходът остава без напрежение и нито един от останалите режими не може да бъде осъществен. Обикновено изборът на режим се извършва от Contr.

Разпознаването на PD става чрез съпротивлението между двата му извода и е изяснено на фиг. 4б. Съпротивление до 2,4 kW се „оценява” от PSE като късо съединение (това позволява „откриването” на грешно свързване вместо PD на компютърна мрежа, чието съпротивление е 150 W), а съпротивление 2,4 - 15 kW като нискоомно. Съпротивление 19 – 26,5 kW означава правилно свързан PD, между 33 и 500 kW оценката е високоомно съпротивление, а по-голямо – прекъсната верига.

Определянето на класа на PD става чрез подаване за кратко време на напрежение около 15 V (стойността му и времето на подаване се дават в документацията на PSE) и измерване на протичащия ток. Класовете на тока са според фиг.4в, а в каталозите се дават допустимите му толеранси за всеки от тях, например този между класове 3 и 4 е 31,5 – 34,9 mA. След получаването на ток в съответствие с класа на PD от PSE се подава напрежението VEE. То е отрицателно, но е прието в документацията да се дава положителната му стойност, означавана като AGNG-VEE.

В табл. 2 са дадени основните параметри на контролери за PSE, като IEE е консумираният от ИС ток, VG и IG са съответно напрежението и токът на гейта в установен режим на външния транзистор, а tDET и tCLE са времената за разпознаването и класифицирането. Специфична особеност на дадения на ред 2 е работата му заедно с LTC4271, като параметрите в таблицата се отнасят за двете ИС.

Трансформатори за PD
Те са задължителните в ключовите стабилизатори Flyback и Forward и в наименованието им се съдържа изразът PoE Transformer, към което в зависимост от предназначението може да се прибавят и други думи. На фиг. 5а е дадена схемата на PoE+ Power over Ethernet Plus Transformer на компанията Wuerth Elektronik като пример за най-простата разновидност с едно изходно напрежение (намотка N2 с напрежение и ток 12V/2.5А) и една допълнителна (N3 за 12V) за захранване на блок или блокове в ИС на контролера.

В случая напрежението на N1 е 36-72 V, размерите на трансформатора са 29,1x23,1x11,4 mm и работната честота на ползващия го стабилизатор може да е 250-400 kHz. Друга характерна разновидност са трансформаторите с две намотки за захранващи напрежения, какъвто е PoE Power over Ethernet transformer (фиг. 5б) на същия производител с N1 за 36-57 V, N2 и N3 за 12V/0,55А и допълнителна за 8 V при размери 17,8х13,5х12,7 mm и работна честота 200-500 kHz.

Вместо напреженията на намотките в някои каталози се дават техните преводни отношения – например в TGP13-S004EFD15LF на компанията Halo Electronics, предназначен за POUT=13 W, те са 1:0,208:0,083 при размери 16,5x16,5x8,64 mm.

Широко разпространени са и модули, съдържащи в един корпус между 2 и 8 еднакви трансформатора. Такъв с 4 трансформатора за РоЕ е TG1G-E035NYLF (фиг. 5в) на Halo Electronics с размери 15,2x13,7x6,35 mm, който е част от серия от 18 модела, а TG111-HPE3NVGLF с 8 трансформатора за PoE+ е част от друга серия от 12 модела.

Работният температурен обхват на трансформаторите може да е 0°ё+70°С, -40ё85°С и -40ё+125°С, а изолационното напрежение между намотките обикновено е 1500 Vrms.

Модули
Съществуват поотделно модули за PD и PSE, като и при двата типа няма принципна разлика в конструкцията им от модулите за други електронни апаратури.

Модули на PD (PoЕ Module). Идея за структурата и свързването им може да се получи от фиг. 6, модулът в която е клас 0 на Silvertel (Silver Telecom) и има размери 21,2x14x13,4 mm. Виждат се блокът му за разпознаване и управление и този на ключовия стабилизатор заедно с трансформатора и вградения токоизправител, изискващ два външни кондензатора.

Максималната изходна мощност е 6 W при изходно напрежение 3,3 V, което може да бъде намалявано на 3,2 V чрез свързване на извод ADJ към +VСС или увеличено на 3,78 V при свързване към –VСС. Входното напрежение между изводи VА1 и VА2 се получава от двойките проводници за обмен на данни, а това между VВ1 и VВ2 – от тези за захранване. Същото е свързването и действието на Ag9905М (5V/9W) и Ag9912М (12V/12W), като входното напрежение (между изводи VIN+ и VIN-) може да е 36V-57V и работният температурен обхват е -40°Сё+70°С.

Друг характерен пример е Ag9330-D на същия производител за 12V/30W, който освен класическия вход има два допълнителни – за променливо напрежение 20-40 V, подавано чрез мостов токоизправител между допълнителни изводи и постоянно 7-15 V на други допълнителни изводи. Те разширяват приложенията, например в охранителни видеокамери.

С аналогично действие на първия описан модул, но работа с РоЕ, РоЕ+ и UPOE при VOUT=24 V и максимална изходна мощност 100 W е Ag5610 отново на Silvertel. Размерите на модула са 75x70x9 mm, а характерна особеност е, че при празен ход входното напрежение е 36-57 V, но се стеснява на 52-57 V при максимална изходна мощност.

Модули на PSE (PSE Module). Пример за най-простата и масова разновидност с едно изходно напрежение е Ag6110 на Silvertel. Модулът работи с входно напрежение 45-57 V и на изходите си Port+ и Port- може да осигури ток 1,3 А на захранваните PD едновременно с разпознаването и класификацията им (класове 0 до 5). Може да се използва за мрежи 10/100/1000Base-T, а размерите му са 53x14x7,4 mm.

Съществуват модули за едновременна работа с повече от един прибора, с характерни приложения в IP ключове, хъбове, рутери, домашни и индустриални мрежи. Такъв е Ag6400 на Silvertel за 4 прибора и отделен изход за захранване на всеки с мощност 30W. Управлението е от общия контролер, има вграден интерфейс I2C и адресиране с 4b число. Размерите на модула са 56x14x6 mm.

Прибори
От съществуващото голямо разнообразие на типове и модели във всеки от тях ще бъдат дадени само няколко характерни примера.

РоЕ ключове. Съдържат до 48 извода (Port), част от които или всички могат да се ползват и за постояннотоково захранване. Пример е DES-1005P на компанията D-Link за мрежи 10/100Base-T, всеки от петте извода на който може да осигурява РоЕ. Моделът WS-C3850-48F на Cisco освен 10G Ethernet позволява на всеки от 48-те му извода да има PoE+.

Прибори за обединяване на Ethernet със захранване. По-голямата част от тях са с вход или входове за данни и вграденият им захранващ блок прибавя към тях постоянно напрежение. С един изход са инжекторите (PoE Injector), какъвто е DPE-301GI на D-Link за мрежи 10/100/1000Base-T и осигуряващ PoE+. Аналогично е действието на адаптерите, например PSA16U на Phihong. Подобни, но с повече изходи, са споменатите Midspan – с 8 изхода за РоЕ++ (всеки с мощност 95 W) е POE806U-8MP-N на Phihong.

Сплитери (Splitter). Имат отделни входове за постоянно напрежение и данни от Етернет, които едновременно се получават на различни изводи на изхода им. Такъв е POE14-033 на Phihong, който осигурява 10/100/1000Base-T и постояннотоково захранване 3,3V/2,5А.

Top