Novela byla ratifikována koncem roku 2018. Nyní jsou k dispozici první komerečně integrované zdroje Power Sourcing Equipment (PSE) a moduly pro napájené zaříení Powered Devices (PD), které umožňují využít výhod „High-Power PoE“.

Tento článek popisuje, jak se IEEE 802.3bt liší od předchozích verzí PoE. Bude se věnovat PSE a PD od  Microsemi, Texas Instruments (TI), Linear Technology, a Nexperia. Dozvíme se, jak nejlépe použít tyto moduly k vybudování komplexního systému High Power PoE včetně ochrany obvodů a požadavky na návrh a uspořádání.

Co je IEEE 802.3bt?

Původní standard (IEEE 802.3af) specifikoval až 15,4 W zdroj napájení, který byl dostatečný pro aplikace jako jsou IP telefony a přístupové body Wi-Fi. Pro novější aplikace jako jsou IP video telefony nebo pan-tilt-zoom kamery (PTZ) již výkon nestačí. Změna specifikace z roku 2009 (IEEE 802.3at) tento problém vyřešila navýšením přenášeného výkonu na 30 W. V posledních letech vzrostla poptávka po ještě větším výkonu, a to kvůli aplikacím jako jsou terminály prodejních míst (POS), přístupové body IEEE 802.11ac a síťové osvětlení LED.

Nový standard IEEE 802.3bt (High-Power PoE) doplňuje předchozí specifikaci PoE a PoE+. Hlavní změnou je, že energie může být přenášena přes všechny čtyři kroucené páry v kabelu Cat5e Ethernet. PoE a PoE+ používaly pouze dva z kroucených párů: buď datové linky „ Možnost A“ nebo rezervní linky v „Možnosti B“. (Viz článek Digi-Key „An Introduction to Power-over-Ethernet“).

Nová specifikace zavedla nové typy PSE: „Typ 3“ a „Typ 4“, které potřebují 60 W a 90 W. Další třídy (5-8) pro výstup a vstup (Tabulka 1). Změna je navržena tak, aby vyhovovala zdroji energie a požadavkům na bezpečné nízké napětí (SELV) podle ISO / IEC 60950, které omezují výkon na maximální hodnotu 100 W na port.

Tabulka 1: Porovnání High Power PoE (IEEE 802.3bt) s PoE (IEEE 802.3af) a PoE + (IEEE 802.3at). IEEE 802.3bt zavádí vyšší výkon spolu s novými typy PSE a PD a novými třídami. (Zdroj tabulky: Microsemi)

Vylepšení, která přinesla IEEE 802.3bt

• Automatická klasifikace třídy
• Podpora napájení v pohotovostním režimu
• Adaptivní změna výkonu, pokud je známa délka kabelu

Automatická klasifikace (někdy označována jako „Autoclass“) je nový (nepovinný) mechanismus, který je jedinečný pro High Power PoE. Umožňuje napájenému zařízení PD komunikovat se zdrojem PSE a nastavit tak napájecí výkon, aby přesně odpovídal dané potřebě (plus určitá rezerva na ztráty kabelu atd.) pro lepší účinnost systému.

Pro napájení aplikací s přísnými požadavky na pohotovostní režim, High Power PoE zahrnuje významnou změnu minimální doby trvání pulzního proudu, která se používá k zajištění napájení PSE. Dříve typ 1 a 2 používaly “Maintain Power Signature (MPS)” 10 mA pulzní proud po dobu nejméně 75 ms každých 325 ms a AC impedanci nižší než 26.3 kΩ paralelně s kondenzátorem o hodnotě 0,05 μF. Změna, kterou přinesla specifikace IEEE 802.3bt (vztahující se na typ 3 a 4 PSE), má za následek trvání pulsu přibližně 10% oproti PSE typu 1 a 2.

Další důležitou změnou je adaptivní změna výkonu. Napájené zařízení PD měří odpor kabelu a vypočítává ztrátu výkonu, a tím i rezervu výkonu potřebnou k zajištění spolehlivého chodu zařízení. To má za následek, že se nevytváří zbytečná rezerva výkonu, a tím se šetří energii.

High-power PoE startovací sekvence

Zavedení dalších čtyř tříd výstupního výkonu zdroje PSE (třídy 5 až 8) a odpovídajícího vstupního výkonu napájeného zařízení PD spolu se dvěma novými typy (typy 3 a 4) zdroje PSE a PD zařízení zkomplikovaly startovací sekvenci. Obecně je zařízení kompatibilní s IEEE 802.3af nebo IEEE 802.3at označováno jako zařízení typu 1 (třída 0-3) nebo typu 2 (třída 4). Zařízení kompatibilní s IEEE 802.3bt jsou označována jako zařízení typu 3 (třída 5, 6) nebo typu 4 (třída 7, 8). High-Power PoE definuje bezpečné napájení PD přes kabel z PSE a odpojení napájení, pokud je PD odpojen od kabelu.

IEEE 802.3bt definuje náběh proud (tzv. inrush current) a časové omezení pro zajištění kompatibility mezi PSE a PD jakéhokoliv typu nebo třídy. Mezní hodnota tohoto proudu je 400 až 450 mA pro třídu 0 až 4, 400 až 900 mA pro třídu 5 až 6 a 800 až 900 mA pro třídu 7 až 8. Časový limit pro inrush proud je až 75 ms po zapnutí, poté PSE dle typu 2, 3 nebo 4 podporuje vyšší výstupní proud v souladu s klasifikací.

Startovací sekvence High Power PoE začíná tím, že PSE přepíná napájení, a tím kontroluje, zda je na kabel něco připojeno. PSE pak klasifikuje připojené PD před dodáním daného výkonu.

Vzhledem k tomu, že se jedná o volitelnou funkci, ne všechny High Poser PoE systémy podporují automatické třídění. Řídicí jednotka PD70210ILD-TR od společnosti Microsemi je jedním z produktů, který využívá svůj „Enhanced Classification Block“. PD70210ILD-TR také identifikuje, který ze čtyř párů kabelu skutečně přijímá energii a generuje příslušné příznaky (obrázek 1).

Obrázek 1: PD70210ILD-TR je řídicí jednotka koncového PD, obsahuje Enhanced Classification Block pro usnadnění klasifikace nových tříd a typů PD zavedených v High-Power PoE. Čip může také identifikovat, který ze čtyř kroucených párů kabelu skutečně přijímá energii prostřednictvím svých pinů SUPP_S1 a SUPP_S2. (Zdroj obrázku: Microsemi)

PSE s funkcí Autoclass nejprve zkontroluje, zda PD tuto funkci podporuje. Poté proud dané třídy po krátké prodlevě klesne na aktuální úroveň třídy 0. Pokud PD funkci podporuje, může PSE přistoupit ke spuštění funkce Autoclass bezprostředně po zapnutí. Přičemž PD musí odebírat nejvyšší proud v následujících 1,35 až 3.65 sekundách. Po spuštění musí PD předložit MPS, aby bylo zajištěno, že je PSE stále připojen. Ztráta MPS způsobí, že PSE vypne napájení (obr. 2).

Obrázek 2: High-Power PoE startovací sekvence je složitější než v předchozí verzi z důvodu zavedení nových tříd PSE a PD. Zde jsou zobrazeny tři hlavní fáze procesu (detekce, klasifikace a provoz). (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Dostupnost integrovaných řadičů, které splňují specifikaci IEEE 802.3bt, je stejná jako pro předešlou specifikaci. Kromě výše uvedeného zařízení Microsemi je na trhu již několik řadičů pro zdoj PSE a napajené zařízení PD a mezi ně patří například chipset LTC4291-1/LTC4292 od Linear Technology. Komponenty jsou navrženy tak, aby fungovaly společně a tvořily řadiče PSE typu 3 nebo 4. Funkce řízení spotřeby zahrnují 14bitové monitorování na portu, programovatelný proudový limit a možnost vypnutí přednastavených portů. Pro detekci PD používá vlastní detekční mechanismus, který pomáhá zabránit falešné identifikaci PD. Podporována je funkce Autoclass a lze dosáhnout výkonu až 71,3 W.

LTC4291-1/LTC4292 chipset je pozoruhodný svou úrovní integrace. Prakticky všechny potřebné obvody pro implementaci PSE vyhovující standardu IEEE 802.3bt jsou plně integrovány na čipu. Je nutné dodat pouze několik dalších součástek. Tento chipset je rozdělen na dva čipy (procesor plus napájení), aby se tím zjednodušila izolace zdroje PSE. LTC4291-1 se nachází na neizolované straně. Tam může přijímat napájení z hlavního zdroje a připojovat se přímo ke sběrnici I2C / SMBus. Chipset využívá proprietární izolační schéma pro mezioperační komunikaci, která nahrazuje optoizolátory a izolované zdroje s transformátory(obrázek 3).

Obrázek 3: Čtyřportový řadič LTC4291-1 / LTC4292 od společnosti Linear Technology má integrovanou vlastní izolaci, která nahrazuje použití opto-izolátorů a izolovaného napájecího zdroje s transformátory. (Zdroj obrázku: Linear Technology)

Začínáme s High-Power PoE

Pokud použijeme LTC4291-1 / LTC4292 je většina problémů vyřešena dodavatelem čipů, ale je tam jeden aspekt, a to je výběr vnějších komponent. Platí zde obecné konstrukční zásady pro návrh PoE systému, ale s výběrem komponent vhodných pro vyšší napěťové a proudové úrovně pro High-Power PoE musíme být opatrní.

Například pro napájení VDD a VEE, jak je znázorněno na obrázku 3. je zapotřebí digitální napájecí zdroj a hlavní napájecí zdroj PoE. VDD vyžaduje 3,3 V a VEE vyžaduje záporné napětí mezi –51 V a –57 V pro PSE typu 3 a –53 V až –57 V voltů pro PSE typu 4. Keramický oddělovací kondenzátor minimálně o hodnotě 0,1 μF by měl být umístěn mezi VDD a DGND, co nejblíže každého LTC4291-1. Pro udržení požadované izolace nesmí být připojeny LTC4292 AGNDP a LTC4291-1 DGND.

VEE je zdroj energie je vystaven významným proudovým změnám. Proto vyžaduje více péče o design než jednoduché logické napájení. Pro nejlepší účinnost systému by měl být VEE nastaven na maximální amplitudu 57 V. To ponechá dostatečný prostor, aby dokázal reagovat na přechodné nebo nedostatečné snímání, teplotní drift a regulaci vedení.

Mezi AGNDP a VEE je vhodné zapojit elektrolytický kondenzátor o minimální hodnotě 47 μF, aby se minimalizovaly rušivé vlivy elektrických přechodových jevů.

Výběr externího MOSFETu je dalším klíčovým rozhodnutím. Tento MOSFET tvoří výkonový spínací prvek, který ovládá výstup. Volba komponenty má významný vliv na spolehlivost systému a vyžaduje, aby byla analyzována bezpečná provozní oblast (SOA) proti různým hodnotám proudu. Linear Technology doporučuje systém Nexperia PSMN075-100MSEX pro systémy PSE nakonfigurované tak, aby dodávaly až 51 W  nebo PSMN040-100MSEX pro 71.3 W. Tyto MOSFETy mají prokázanou spolehlivost v PoE aplikacích.

LTC4291-1 / LTC4292 je určen pro snímací odpor 0,15 Ω na kanál. Je nutné přidat dva paralelní odpory o hodnotě 0,3 Ω umístěné tak, jak je znázorněno na obrázku 4. Snímací odpory musí mít toleranci ± 1% nebo lepší, ale ne více než ± 200 ppm / ° C teplotního koeficientu, aby byla splněna specifikace High Power Power PoE.

Obrázek 4: Na obrázku je znázorněno požadované rozložení bloků rezistorů horní a dolní vrstvy pro LTC4292. Volba a umístění snímacího rezistoru (RSTx) je nezbytná pro splnění specifikace High Power Power PoE. (Zdroj obrázku: Linear Technology)

Každý port vyžaduje kondenzátor 0,22 μF přes OUTnA a OUTnB k AGNDP (viz obr. 3), aby se udržela stabilita obvodu LTC4292 během spouštění nebo přetížení. Doporučují se keramické kondenzátory X7R s minimálně 100 V a musí být umístěny v blízkosti LTC4292.

Ethernet porty mohou být vystaveny významným elektrickým rušením. Komplexní ochrana před přepětím pro systémy PoE je předmětem, který vyžaduje samostatný článek, ale minimálním požadavkem je použití TVS diody (TVSBULK) pro potlačení přechodového napětí a kapacita (CBULK) pro potlačení přepěťového proudu a napětí na bezpečnou úroveň pro každý port (obrázek 5).  Od zdroje AGND k pinu AGNDP je také vyžadován odpor 10 Ω (R1). Přes piny AGNDP a VEE by měla být 58 V TVS dioda (D1) a bypass kondenzátor 1 μF s napětím 100V (C1) umístěný v blízkosti pinů LTC4292. Každý port vyžaduje pár S1B svorkových diod: jeden mezi OUTnM a AGND a jeden mezi OUTnM a VEE. Tyto diody usměrňují všechny elektrické přechodové jevy do napájecích pinů, kde jsou absorbovány v tlumiči přepětí.

Obrázek 5: Regulátory PSE vyžadují ochranu před elektrickými nárazy. Zde je zobrazen LTC4292od Linear Technology s požadovanými odrušovači napětí a proudu. (Zdroj obrázku: Linear Technology)

TPS T322327 má integrovány většinu ochranných prvků, ale také je nutné dodat některé externí komponenty (obrázek 6). Například na vstupu kabelu jsou zapotřebí diody. Pro model TPS2327 doporučuje společnost TI Schottkyho diody, protože mají vyšší reverzní proud než normální diody. Je těžké splnit maximální reverzní napětí 2,8 V definované ve specifikaci. Schottkyho diody jsou také náchylnější k elektrickým rázům než běžné diody, takže se doporučuje ochrana napětí / proudu ve formě feritových korálků a kondenzátorů.

IEEE 802.3bt specifikace zahrnuje vstupní bypassový kondenzátor od 0,05 do 0,12 μF (typicky 0,1 μF, 100 voltů, ± 10% keramika) mezi VDD a VSS. Specifikace také vyžaduje detekční odpor RDEN, klasifikační odpory RCLSA a RCLSB, a MPS rezistor RMPS. Pro RDEN se doporučuje odpor 24,9 kΩ, ± 1%. Klasifikační odpory jsou připojeny z CLSA a CLSB na VSS pro nastavení klasifikačního proudu podle standardu IEEE 802.3bt. RMPS nastavuje pracovní cyklus MPS; například rezistor 1.3 kΩ nastaví pracovní cyklus na 26,4%. Zkratování MPS_DUTY na RSS nastaví pracovní cyklus na 12,5%.

Obrázek 6: Aplikační diagram pro rozhraní TPS2372 High-Power PoE ukazuje periferní komponenty. Především vstupní diody, kondenzátory a detekční, klasifikační a MPS odpory. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Linear Technology a TI nabízejí referenční designy pro PSE a PD, které splňují specifikaci a tvoří užitečný návod pro vývojáře.

Závěr

High Power PoE rozšiřuje možnosti předešlého standardu PoE a zvyšuje jejich efektivitu. Zavedli se další typy a třídy PSE a PD a další provozní a bezpečnostní prvky. Celá problematika PoE do značné míry řeší samotní výrobci čipů, a to značně zjednodušuje a urychluje vývoj a snižuje počet externích komponent.

Článek vyšel v originále „Design In High-Power Power Over Ethernet Using Off-the-Shelf IEEE 802.3bt Solutions“ na webu DigiKey.com, autorem je Steven Keeping