Jak ukazuje obrázek č. 1 napájené zařízení (Powered Device - PD) lze rozdělit na 4 základní stavební bloky.

Obr. 1: Stavební bloky napájeného zařízení (PD)

Prvním blokem je ochrana proti nesprávné polaritě (Polarity Protection), která je nutná z toho důvodu, že IEEE umožňuje napájení různými způsoby.

Alternativa A (Obr. 2) - napájení i odběr proudu je prováděn pomocí středu vinutí oddělovacích transformátorů (Medium Dependant Interface – MDI). Napájecí zdroj (PSE) použije kladné napětí na střed vinutí TX nebo RX oddělovacího signálového transformátoru (nebo lze použít i křížený kabel). Napájené zařízení (PD) pak si pak musí poradit s neznámou polaritou a správně pracovat. K tomu nám pomůže obyčejný můstkový usměrňovač, jehož použití jako vstup PD umožňuje i IEEE specifikace.

Obr. 2: Endpoint PSE, Alternativa A

Další alternativy jsou zobrazeny na obrázcích 3 a 4. Napájení je zprostředkováno PSE přes Power Interface (PI) nebo volnými páry 10BASE-T a 100BASE-T sítí.

Obr. 3: Endpoint PSE, Alternativa B
 
 
Obr. 4: Midspan PSE, Alternativa C

Dle obrázku 3 a 4 specifikace IEEE stanoví, že kladné PSE musí být připojeny na 4 a 5 a záporné na 7 a 8. Je-li tedy polarita fixní je třeba pro vstup Vin2 do PD nutný můstkový usměrňovač? Není třeba plný usměrňovač, ale bylo by dobré použít dvě diody v řadě, aby odpovídal tomu, jak identifikační obvod (Signature) odpovídá jednotlivým metodám vstupu.

Specifikace IEEE obsahuje detailní informace o sítích 10BASE-T a 100BASE-T, ale jen zmínky o sítích 1000BASE-T. Topologie sítí 1000BASE-T se liší od těch 10BASE-T a 100BASE-T, a to v tom, že používá všechny čtyři páry v kabelu k přenosu dat. Pokud je tedy napájené zařízení připojeno k síti 1000BASE-T pomocí některé z uvedených metod, pak dva datové páry budou zkratové. Obr. 5 ukazuje jak nakonfigurovat PD tak, aby pracovalo se sítí typu 1000BASE-T.

Obr. 5: Konfigurace 1000BASE-T

Druhým stavebním blokem jsou obvody Class a Signature. Aby bylo zajištěno že PSE nepoužije napětí 48V na zařízení nepodporující POE, PSE nejdříve použije nízké napětí (2,7V až 10,1V) a bude očekávat identifikační (Signature) odpor o 25kΩ. PSE bude předpokládat, že Identifikační odpor bude nějaký obvod s automatickým nastavením polarity a vykompenzuje rozpor stejnosměrné složky. Maximální kapacita PD musí být <150nF. Existuje dost PSE které tento parametr nekontrolují, ale některé ano. Je důležité si uvědomit, že pokud není identifikační odpor vypnut když je použito plné napětí PSE, je třeba počítat s rozptýlením jeho výkonové ztráty ~130mW (25k @ 57V).

Tzv. výkonová třída (Current Classification nebo obvod Class) je používána k informování PSE o maximálním požadovaném výkonu PD. To je důležité pro řízení napájení u větších switchů/hubů. Po platné Signature, PSE zvýší výstupní napětí mezi 14,5V a 20,5V a změří proud. Tab. 1 ukazuje různé rozsahy dostupných výkonových tříd (Class), které jsou volitelné a pokud naměřený proud je <=4mA, PSE bude automaticky Class 0. Class 4 je vyhrazena a může být použita v budoucnu.
 

Třetím blokem je podpěťová ochrana nebo stadium kontroly. Je důležité, že DC/DC převaděč nepracuje když PSE ověřuje identifikaci a výkonnostní třídu. Stadium kontroly musí být zapnuto (ON) pokud vstupní napětí PD = 35V, výstupní napětí (Von) PSE = 42V s 20Ω odporem (kabeláže a konektorů) při 350 mA.

IEEE specifikace si odporuje s napětím Voff. Stanoví že kontrola musí být vypnuta (OFF) pokud výstupní napětí PSE = 30V s 20Ω odporem, čímž naznačuje, že jej lze snížit na 23V. V doporučeném testu napájení PD specifikace stanoví, nevstupní napětí musí být <1,14mA při 30V. Tudíž k zajištění této specifikace PD, nastavte spínání prahové úrovně mezi 30V a 35V. 

Posledním stavebním prvkem je DC/DC měnič. Nominální napětí 48V není příliš praktické a většina aplikací bude požadovat nižší jako např. 3,3V, 5V nebo 12V. Nejsnadněji by toho šlo dosáhnout pomocí DC/C (Buck) převodníkem. Takový převodník musí být schopný pracovat bez problémů ve velkém rozsahu vstupních napětí 36V až 57V, a to pod minimálními i maximálními podmínkami zátěže.

Na otázku „Jaký výkon je dostupný?“ lze odpovědět, že PSE je schopen na výstupu 15,4W (350mA @ 44V). Ale IEEE 802.3af stanoví, že při 20Ω odporu je maximální vstupní napětí do PD = 12,95W (350mA @ 37V). Pokud DC/DC převodník pracuje s efektivitou 80%, pak dostupný výstupní výkon = 10,36W. Toto si musí každý uvědomit při zjišťování aktuálního výkonu při horších podmínkách. IEEE je však stále ve vývoji a pracuje se na vyšším standardu IEEE 802.3at, který však pravděpodobně nespatří světlo světa v nejbližší budoucnosti.

S maximálním možným výkonem také souvisí teplota. Je nutné si uvědomit, že i nejefektivnější DC/DC převodník generuje teplo, které je nutné vzít v potaz při navrhování zařízení. Je tak nutné zajistit větrané pouzdro a to, aby měl DC/DC dostatečný heatsink. V opačném případě je nutné počítat s nižším výkonem.

Další důležitý faktor při navrhování DC/DC převodníku je Elektromagnetická Interference (EMI) a rozložení PCB. Zde je pár hlavních bodů jak snížit šum:

1. Napájecí komponenty situovat blízko u sebe.
2. Udržení poměru dv/dt na co nejnižší možné hodnotě.
3. Důsledné oddělení signálových a výkonových spojů.
4. Zajištění co nejkratších spojů k řídící elektrodě FET
5. Zajištění co největší plochy mědi pro zemní spoje

Pokud jde o otázku zda PD vyžaduje 1500V izolaci, pak IEEE specifikace říká, že „elektrická izolace by měla být ve shodě s požadavky na izolaci mezi SELV obvody a připojeními telekomunikačních sítí v dodatku 6.2 IEC 60950-1:2001“. Takže odpověď zní „Ano“. Jsou dva přístupy záležející na finálním produktu, a to pokud má být izolační bariéra přímo vestavěná či má být produkt kompletně uzavřen v pouzdru z nevodivého materiálu, který by odvedl práci izolační bariéry.

Power over Ethernet nabízí mnoho výhod a lze jej užít ve velkém množství aplikací. Existují modulární a silikonová řešení, navržená přímo pro napájená zařízení a pod současnou normou IEEE 802.3af mohou poskytnout ~12W. Několik výrobců PSE se může pyšnit zařízeními nabízející vysoký výkon, ale ještě nedosáhli stálého a ryze vlastního přístupu a to i proto, že standard IEEE 802.3at je v neustálém vývoji.

Napájecí zdroje Phihong

Firma Phihong patří mezi čelní výrobce průmyslových výrobků pro standard IEEE802.3af a v jejím sortimentu vedle jednoduchých jednoportových napáječů naleznete též embedded moduly v provedení DIMM, určené pro konstrukci vlastních koncových zařízení či přímo pro vestavbu do obecných ethernetových zařízení napájených prostřednictvím PoE. DIMM moduly plně odpovídají specifikaci pro injector pro Power Over Ethernet a umožňují konstrukce až 48portových systémů. Zvláštností modulů je možnost monitorování činnost prostřednictvím rozhraní RS-232 nebo sběrnicí I²C. Na těchto modulech jsou též postaveny kompletní napájecí zdroje od této firmy, které jsou dodávány v 6 až 48portových provedeních s celkovým výkonem 200 až 500 W a rozhraním I²C. Multiportové napáječe jsou pak nabízeny v 8, 16 a 24portových verzích se jmenovitým příkonem 15,4 W na port. Multiportová i embedded provedení jsou však k dispozici pouze pro OEM partnery. Typickým zástupcem produkce firmy jsou pak jednoportové injectory, jejichž klasickým zástupcem je model označený jako PSA16U (15,4W), POE20U (19,6 W) a POE30U (30 W).

Více se o produktech pro PoE či o sortimentu Silver Telecom , Phihong  a Codico dozvíte u jejího českého zástupce CODICO Czech Republic na e-mailové adrese petr.rocek@ codico.com.

Download & odkazy

• Domovská stránka českého distributora CODICO - http://www.codico.cz
• Domovská stránka výrobce Silvertel - http://www.silvertel.com
• Domovská stránka Phihong - http://www.phihong.com/
   
• Download datasheetu k PSA16U - PSA16U.pdf
• Download datasheetu k POE20U - POE20U-G.pdf
• Download datasheetu k POE30U - POE30U-G.pdf

• Download katalogového listu Ag8000 - Ag8000v1-2.pdf
• Představení PoE od CODICA na HW Serveru
   
• Více o PoE na HW serveru - Power Over Ethernet – napájení ethernetových zařízení po datovém kabelu
• Popis principu činnosti PoE na HW serveru - Princip činnosti Power Over Ethernet