Захранване по Ethernet

ПОДОБНИ СТАТИИ

Хидравлични и пневматични уплътнители

Стругове с автоматично зареждане

Тенденции при изпитването на умора

Микрообработка - технологии, инструменти, приложения

Най-интересните новости от electronica 2024

Предимства на РоЕ решенията

От създаването на първия Experimental Ethernet през 1972 г., позволяващ предаване на данни по коаксиален кабел със скорост 2,94 Mbps измина доста време. Първият стандарт IEEE802.3 се появява през 1983 г. и е със скорост 10 Mbps, като използва коаксиален кабел. Днес общият брой на стандартите-допълнения на IEEE802.3 е 29, като някои все още са за коаксиален кабел, други са за усукана двойка проводници и трети – за световоди. В момента се разработва 802.3ар за обмен на данни между платки със скорост 1 и 10 Gbps, който се очаква да започне да действа през 2007 г.

Сравнително отскоро по кабелите за Ethernet може да се подава и постоянно захранващо напрежение, идеята за което е заимствана от класическите телефонни линии. Именно това е захранването по Ethernet, за което се използват термините Power Over Ethernet (PoE), Power Over LAN (PoL), Active Ethernet и Inline Power. В статията се дават основни сведения за стандартите на IEEE за захранване, структурата на РоЕ, интегралните схеми, модулите и приборите за реализирането й, както и характерни приложения.

Стандарти

Основният стандарт IEEE802.3af е в сила от 12.07.2003 г. Според него постояннотоковото захранване се извършва с номинално напрежение -48 V, предавано по две двойки проводници. Средната стойност на захранващия ток не може да надхвърля 350 mA, а моментната (до 60 ms) – 400 mA. Реално на входа на линията напрежението може да е между 44 и 57 V и се осигурява от захранващо устройство (Power Sourcing Equipment) PSE с мощност не по-малка от 15,4 W (44Vx350mA). Освен това PSE задължително трябва да може да ограничава тока по линията на стойност между 400 и 450 mA (избирана от производителя). На входа на захранваното устройство (Powered Device) PD в края на линията се допуска напрежението да е между 37 и 50 V, което означава устройството със сигурност да може получава мощност 12,95 W (37Vx350mA). В зависимост от реалната консумирана мощност PD се разделят на 5 класа, само три от които реално се използват: клас 1 с мощност между 0,44 и 3,84 W, клас 2 – от 3,84 до 6,49 W и клас 3 – между 6,49 и 12,95 W.

Кабелите за връзка между устройствата могат да имат дължина до 100 m и съпротивление до 20 W. Стандартният неширмован кабел Cat5 има 4 усукани двойки проводници, а в двата му края са поставени куплунги RJ-45. Изолацията на проводниците му е с малки диелектрични загуби. Една от двойките е за предаване на данни към PD (означава се с ТХ), а другата (RX) – за приемане на данни. Останалите две двойки са свободни и по принцип могат да се използват за други цели.

Задължително изискване на стандарта е PSE да подава по линията захранващо напрежение само при наличие на подходящ PD в края й. Разпознаването (Detection) на PD се прави по резистора 25 kW, свързан на входа му. Най-напред PSE подава по линията за кратко време две изпитателни постоянни напрежения между 2,7 и 10 V и измерва тока по нея за всяко от тях. Чрез разликите DU и DI се изчислява съпротивлението DU/DI в края на линията. При прекъсната линия или липсващи PD ток няма. Според стандарта при ток под 4 mA трябва да се прекрати по-нататъшната проверка и по линията няма да се подава постоянно напрежение. Същото се прави и когато към линията е свързано устройство с входно съпротивление, силно различаващо се от 25 kW. При наличие на PD започва етапът на класифициране (Classification). В него от PSE се подава постоянно напрежение между 14,5 и 20,5 V, на което PD отговаря чрез генериране на ток за класифициране (Classification Current). Именно неговата стойност показва класа на PD – за клас 1 токът е 9-12 mA, за клас 2 – от 17 до 20 mA и за клас 3 е 26-30 mA. С това проверката завършва и PSE подава по линията нормалното захранващо напрежение. Същевременно PSE задължително е с максималнотокова защита за изключване на напрежението при протичане но линията на ток между 400 и 450 mA (напр. поради късо съединение).

В стандарта са предвидени и два метода за откриване на прекъсване на захранващата линия по време на работа. Постояннотоковият метод разчита на намаляването на тока под 4 mA за повече от 0,3-0,4 s. При променливотоковия метод PSE наслагва малка променлива съставка върху постоянното напрежение (все едно пулсации) и непрекъснато измерва големината на така получения променлив ток по линията, за да проверява наличието на PD по неговото съпротивление 25 kW. Когато се установи нарастване на съпротивлението с повече от 5%, постоянното напрежение по линията се изключва.

В стандарта няма предписания за структурата на PSE и PD, които се определят от производителя. Пример за PSE е даден на фиг. 3. Чрез непрекъсваемото захранване UPS се постига споменатата независимост на РоЕ. Постоянното напрежение Uo от UPS чрез DC/DC преобразувателя осигурява захранването на управляващия микроконтролер mC със стабилизирано напрежение Eom. Блокът HS (Hot Swap) гарантира безопасната работа на основния блок PSEM при включване и изключване на Uo.

В зависимост от изходното си напрежение съществуват два вида PD. Пасивните PD (Passive PD) подават непосредствено нестабилизираното напрежение от линията на захранваното устройство. Те се използват рядко. Идея за структурата на активно PD (Active PD) е дадена на фиг. 4. Блокът РР съдържа споменатия диоден мост заедно със схема за ограничаване на тока на зареждане на кондензатора С (Inrush Current Control). Стойностите на този ток не са предмет на стандарта и производителите на PD ги избират между 100 и 400 mA. Резисторът 25 kW и схемата за генериране на ток по линията за установяване на класа на PD са в блок SCC. След определяне на класа постоянното напрежение от PSE в TR продължава да се увеличава и когато достигне 35-40 V (в зависимост от конкретното PD), схемата за управление СС подава необходимото логическо ниво на вход S за включване на споменатия вече DC/DC преобразувател. Сигурното включване се осигурява благодарение на схемата за ограничаване на тока на зареждане. Преобразувателят задължително е с галванично разделяне между входа и изхода, поради отрицателното входно и положителното изходно напрежение. Освен това неговият трансформатор улеснява получаването на сравнително малкото стабилизирано напрежение Ео. Напълно възможно е и получаването на повече напрежения чрез няколко вторични намотки на трансформатора в преобразувателя по същия начин, както в класическите преобразуватели с галванично разделяне (SMPS). Според стандарта преобразувателят трябва да работи нормално с входни напрежения между 36 и 57 V.

Пример за ИС от първия вид е серията МАХ5922 на MAXIM. Тя съдържа три ИС, различаващи се само по минималната стойност на захранващото напрежение и някои подробности в действието. Опростената структура заедно с типично свързване на външните елементи е дадена на фиг. 5. Захранващото напрежение UIN се подава на извод IN спрямо аналоговата маса AGND и може да е между +32 и +60 V. То захранва и аналоговия управляващ блок ANC. Минималното напрежение, при което транзисторът Т се отпушва, е фабрично установено на 28 V при МАХ5922В/С и на 38 V при МАХ5922А. Когато то се използва не е необходим делителят R1-R2.

При наличие на напрежение над минималното транзисторът Т все още е запушен и започва процесът за установяване на наличието на PD (PD Detection). Блок ANC подава на изхода OUT напрежение 4 V за 88 ms и измерва тока на извода. Следва подаване на 8 V за същото време и ново измерване на тока. С тези данни ANC изчислява съпротивлението между OUT и AGND и негова стойност между 19 и 26,5 kW означава наличие на PD. Времетраенето на процеса е 170 ms. Съпротивление под 15 kW или над 33 kW означава липса на PD и описаната проверка продължава без прекъсване.

При наличие на PD се пристъпва към класифицирането му (PD Classification), но само ако разрешаващият за това извод CLASS е свързан към извод VDIG (фиг. 5). При желание да не се прави класифициране, извод CLASS се свързва към цифровата маса DGND, при което след откриване на PD му се подава захранващо напрежение. За самото класифициране от ANC на извод OUT се подава напрежение 17,5 V, измерва се токът на извода и се сравнява със зададения чрез резистора RD. В зависимост от класа на PD на изводи CL0, CL1 и CL2 се получава съответното двоично число. Времето за класифициране е 21 ms.

Сега ANC отпушва транзистора Т, като определя скорост на нарастване на изходното напрежение Uo до 100V/ms и на изходния ток до 35А/ms. Когато разликата между Uo и UIN намалее до 0,75 V се приема, че PD е захранен нормално и затова след 88 ms на изход РОК (Power OK) се получава високо логическо ниво за потвърждаване.

Токът по линията Io се контролира чрез резистора RSENSE, върху който се получава напрежение VSENSE = IoRSENSE. Транзисторът работи нормално като затворен ключ при VSENSE до 212 mV. Достигането на тази стойност осигурява на изхода OUT неизменен ток ILIM = 212mV/RSENSE.

Намаляването по време на работа на напрежението VSENSE под 3,75 mV за повече от 350 ms означава прекъсване на линията или изключване на куплунга на PD. Транзисторът Т се запушва, на извод ZC се получава ниско логическо ниво и автоматично започва процес на откриване на PD.

За захранване на четири PD е предназначена ИС LTC4259А на Linear Technology. Тя работи с външни NMOS транзистори като ключове и има сериен интерфейс I2С за външно управление. Интерфейсът може да контролира до 16 ИС, т.е. до 64 PD, което позволява използването на ИС в сравнително сложни Ethernet мрежи. На фиг. 6 е дадено свързването на един от изходите на ИС. През резистора 0,5 W, NMOS транзистора и предпазния диод S1B напрежението от -48 V се подава по мрежата. С плътни линии е дадено свързването към проводниците за данни, когато PSE е част от краен блок, а с прекъснати линии – към свободните проводници, когато е част от междинен блок. Чрез стабилитрона 58V мрежата се предпазва от недопустимо големи напрежения. Резисторът 10k подава изходното напрежение на вход OUT. В ИС се измерва напрежението между него и извод VEE и намаляването му под 2 V означава установяване на нормално захранване от мрежата. Чрез извод DETECT се регистрира евентуално прекъсване на веригата с PD. Интерфейсът I2C се използва само за управляване на ИС, поради което изводи SDAIN и SDAOUT са свързани. Извод VDD е за постояннотоково захранване на логиката в ИС и на него се подава напрежение между +3 и +4 V.

Характерна особеност на LTC4259A са четирите възможни режима на работа. В Auto mode откриването и класифицирането на PD и подаването на захранващо напрежение се извършват автоматично без необходимост от външно управление. В Semiauto mode откриването и класифицирането също се правят автоматично, но ИС чака разрешение отвън, за да подаде напрежение към PD. Режимът Manual mode е предвиден за външно управление на всички стъпки по установяване на захранването на PD. И накрая Shutdown mode е изключеното състояние на ИС. Друга особеност е наличието на два прага от 375 и 425 mA за ограничаване на изходния ток. Първата може да продължава само определено време, програмирано чрез интерфейса I2C, след изтичането на което PD се изключва. При достигане на втория праг изключването става веднага.

Те включват различни блокове на цялото устройство, дадено на фиг. 4. Първият вид ИС представляват само контролери за DC/DC преобразуватели и единствената им особеност е възможността да работят с напрежението, подавано по линията. Типична схема на такъв преобразувател е дадена на фиг. 7, използваща контролера SC4812 на Semtech. Стабилизираното изходно напрежение Vout се получава чрез промяна на продължителността на импулсите на ключа Q1 в зависимост от това напрежение (чрез резисторите R2 и R3) и изходния ток (чрез резистора R5). Стойността на изходното напрежение зависи от трансформатора, но не може да надхвърля 14 V. Предвидено е автоматично изключване на ИС при напрежение на извод VСС под 6,25 V.

Вторият вид ИС включват блоковете SCC и СС на фиг. 4. За изясняване на действието им на фиг. 8 е дадена структурата на ИС НV110 на Supertex. Напрежението на изхода на блока РР се подава между изводи Vрр и Vnn и може да бъде между 36 и 57 V. Блокът UVLO заедно с резисторите 2,4 МW и 116 kW осигурява включването на ИС при увеличаване на Uo над 40 V, както и запазване на работата при намаляване до 32 V. За удовлетворяване на изискванията на 802.3af се налага промяна на прага на изключване, което се постига чрез външен делител със средна точка, свързана към извод UVLO (фиг. 9). Задаването на класа на PD става чрез частта от схемата на фиг. 9, означена като Optional. В случая напрежението върху резистора RCLASS е фиксирано от стабилитрона и следователно колекторният ток на транзистора се задава чрез този резистор. При класифицирането на PD самата ИС се изключва и токът по линията е равен на колекторния плюс този през стабилитрона и делителя UVLO. Така може да се изчисли необходимото съпротивление RCLASS за всеки от класовете. Например за клас 1 то е 191 W.

От същия вид е TPS2375 на Texas Instruments с типична схема на свързване на фиг. 10. Единият от диодните мостове се използва при захранване по двойките проводници за данни, а другия – по свободните двойки (независимо че полярността на подаваното по тях напрежение е фиксирана). Резисторът R(DET) е за разпознаване на PD. Класът на PD се задава чрез резистора R(ICLASS). Чрез резистора R(ILIM) се задава максималният ток IILIM на зареждане на кондензатора в изхода на схемата (100 mF на фиг. 10) непосредствено след подаване на захранващото напрежение с препоръчвано съпротивление дадено на фиг. 10. При нормална работа на изход PG има ниско логическо ниво, докато при изключено захранващо напрежение към DC/DC преобразувателя (чрез вградения NMOS транзистор е прекъсната връзката между изводи RTN и VSS) се получава високо логическо ниво. При нарастване на входното напрежение (между изводи VDD и VSS) нормалната работа на ИС започва при негова стойност от 42 V, докато при намаляването му работоспособността се запазва до 30 V. Също при нормална работа PD може да консумира от линията ток до 405 mA, т.е. може да му се достави максималната мощност, предвидена от стандарта. При опит за консумиране на по-голям ток се изключва изходното напрежение. Особеност, полезна за много приложения, е издръжливостта на ИС към напрежения до 15 kV, дължащи се на електростатични заряди.

Третият вид ИС за PD включват блокове SCC, СС и част от DC/DC на фиг. 4. Тази част задължително е контролерът, а само в една ИС (засега) е и мощният транзистор. Структурата на ИС от този вид може да бъде изяснена чрез опростената блокова схема на LM5071 на National Semiconductor (фиг. 11). Вижда се външно свързаният мощен NMOS транзистор, управляван от изход OUT и резисторът в сорса му за осигуряване на непрекъснат контрол на тока чрез напрежението на вход CS. Освен от него продължителността на импулсите на OUT зависи и от изходното напрежение, част от което чрез делител постъпва на вход FB. Тази ИС е разработена специално за PD с допълнително захранване от мрежов адаптeр, което обяснява наличието на вход AUX. Когато на него се подаде напрежение над +2,5 V се разрешава работата на ИС с входни напрежения над +9,5 V. Това позволява чрез диодна схема ИЛИ тя да се захранва и от друго постоянно напрежение. Изводи VIN и VEE се свързват към постоянното напрежение на линията (максимална стойност 60 V), като чрез делителя на вход UVLO се установява минималното работно напрежение. Включването на ИС става при напрежение 2 V между изводи VIN и UVLO, което се използва при изчисляване на делителя. Резисторът между изводи VIN и RSIG заедно с резисторите на делителя на UVLO определя входното съпротивление 25 kW на PD. Чрез кондензатора на извод SS се осигурява плавният старт. Честотата на DC/DC преобразувателя се задава чрез резистора RT, като може да е до 600 MHz. Между изводи RCLASS и VЕЕ се свързва резистор за определяне на класа на PD.

Друга ИС за PD е LTC4267 на Linear Technology. Тя започва работа при увеличаване на входното напрежение над 36 V и я запазва при намаляването му до 30 V, а максималното входно напрежение е 57 V. Особеност на ИС е използването на две вместо една стойности на тока IILIM (двустепенно ограничаване) за зареждане на изходния кондензатор (140 и 375 mA). Непосредствено след подаване на постоянното напрежение от линията, кондензаторът С на фиг. 4 започва да се зарежда с по-малката стойност на тока. При достигане на нормалното напрежение за работа на DC/DC преобразувателя, т.е. при разлика между това от линията и подаваното на преобразувателя под определена стойност, се превключва по-голямата стойност за ограничаване на тока. Това усложняване позволява работата на PD както с маломощни PSE, така и с такива за максималния ток, допускан от стандарта.