Ačkoli byl PoE definován především pro potřeby IP telefonie, své uplatnění bezesporu nalezne i v průmyslové praxi, především díky podpoře napájecího napětí 48 V. Již nyní se však s obdobou tohoto standardu můžeme setkat u napájení Wifi AP, kde se však využívají jen volné páry vodičů, a zapojení tak nelze aplikovat u gigabitových sítí.

Standard IEEE802.3af definuje možnosti napájení ethernetových zařízení prostřednictvím datových vodičů stávající kabeláže CAT5 bez nutnosti použití přídavných napájecích zdrojů či síťových adaptérů na straně napájeného zařízení. Protože standard je možné použít v 10, 100 i 1000Mb sítích, lze předpokládat jeho brzké rozšíření. A přestože hotové aktivní prvky podporující tento standard jsou stále velmi drahé a těžko dosažitelné, integrované obvody umožňující jednoduchou realizaci napájení plně podporujícího PoE jsou snadno dostupné již nyní.

Základní vlastnosti IEEE802.3af:

• napětí 44 – 57 V;
• maximální proud 550 mA;
• maximální zapínací proud 500 mA;
• typický proud 10 – 350 mA;
• detekce přetížení 350 – 500 mA;
• odběr v klidovém stavu maximálně 5 mA.

Z čeho se skládá PoE

Dle definovaného standardu lze napájení ethernetových zařízení rozdělit na dvě části. Jednou je napájecí zdroj, neboli PSE (Power Sourcing Equipment) tvořící řídící prvek PoE, a druhým je zdroj napájeného spotřebiče, označovaný jako PD (Powered Device). Obě zařízení spolu musí komunikovat tak, aby byl zajištěn nejen dostatečný přísun proudu, ale současně ochrana jak napájeného zařízení, tak napájecího zdroje. Zatímco PSE poskytuje napájecí napětí a řídí komunikaci, úkolem PD je vlastní identifikace na základě požadavků PSE a současně obsluha, resp. zapínání a vypínání spotřebiče.

Komunikace mezi zařízeními standardu 802.3af

Aby nebylo třeba digitálního přenosu u jinak analogového systému, byl definován režim činnosti obou zařízení, který umožňuje komunikaci v analogové rovině. Jedinou podmínkou je, že obě zařízení musí plně odpovídat standardu IEEE802.3af. Komunikace pak probíhá na základě jednoduchého modelu:

1. Detekce zařízení odpovídajícího PoE;
2. určení výkonové třídy napájeného zařízení (class);
3. aktivace napájecího zdroje napájeného zařízení;
4. napájení;
5. klidový režim.

Detekce zařízení PoE

Detekce zařízení komunikujících dle standardu Power Over Ethernet probíhá na bázi měření terminačního odporu, který je pro standard PoE 25 kΩ přičemž zatěžovací kapacita nesmí překročit 120 nF.

Napájecí zdroj PSE pouští do obvodu stejnosměrné napětí v rozsahu 2,8 – 10 V. Je-li na straně spotřebiče detekován terminační (zatěžovací) rezistor v rozmezí 24,1 – 26 kΩ, je zařízení považováno za odpovídající IEEE802.3af a začíná druhá fáze identifikace napájeného zařízení spočívající v detekci napájecí třídy.

Detekce zařízení komunikujícího dle PoE musí probíhat nezávisle na polaritě napájecího napětí, což je ve většině případů stejně řešeno diodovým usměrňovacím můstkem řešícím problematiku polarity pro případ záměny datových vodičů a délka měření nesmí překročit 500ms, aby nedošlo k přetížení napájecího zdroje. Není-li terminační odpor součástí speciálního integrovaného obvodu řešícího všechny funkce náležející PD, zapojuje se rezistor bezprostředně za usměrňovací můstek, zatímco ostatní obvody jsou odděleny elektronickým spínačem eliminujícím vliv filtračních kapacit. Ačkoli tedy terminační rezistor představuje trvalou zátěž, vzhledem k velkému odporu je jeho odběr zanedbatelný (2 mA při 48 V).

Zjištění výkonové třídy napájeného zařízení (Class)

Standard Power Over Ethernet definuje čtyři, respektive pět výkonnostních tříd napájených spotřebičů, lišících se maximálním povoleným příkonem, viz tab. 2. Zatímco třídy 1 až 3 definují konkrétní povolené mezní příkony, třída 4 odpovídá mezním výkonem třídě 3 nebo 0 a je ve specifikaci uváděna jen jako rezerva do budoucnosti. Třída 0 je považována za výchozí a je nastavena v případě, kdy je detekováno zařízení odpovídající standardu POE, avšak není známa jeho třída, respektive spotřebič tuto informaci nepodává.
 

Identifikace výkonové třídy spotřebiče probíhá měřením proudu tekoucího ze zdroje při napětí 15,5 – 20 V. Je-li proud menší než 4 mA, je zařízení považováno za neznámé, a je-li spotřeba větší než 44 mA, je detekováno jako nepovolené a proces spouštění je ukončen, respektive vrací se na bod detekce zařízení Power Over Ethernet.

Díky velkému identifikačnímu proudu a tedy i velké výkonové ztrátě v PSE i PD je délka měření omezena na 75 ms, během které buď dojde ke zjištění výkonové třídy, nebo PSE přejde zpět do stavu detekce zařízení PoE. Vzhledem k omezení doby identifikace by proto na straně PD neměla obvodům vytvářejícím identifikaci třídy předcházet větší filtrace napájecího napětí (nF-jednotky µF).

Aktivace PD

Je-li určena výkonová třída spotřebiče, zvýší se napájecí napětí na hodnotu 30 – 44 V označovanou jako UVLO (Under Voltage Lock Out). Ta je signálem pro zdroj v napájeném zařízení, aby uvolnil výstup napájecího napětí.

Režim aktivace je vhodný zejména pro nabití překlenovacího kondenzátoru, jehož úkolem je omezit okamžitý proudový odběr spotřebiče po jeho připojení, a který, pokud by překračoval povolené proudové limity pro danou třídu, by napájecí zdroj mohl vyhodnotit jako zkrat po kterém by následovalo opětné odpojení napájení.

V režimu aktivace je povolen krátkodobý pokles napětí pod dolní prahovou mez, aniž by došlo ke vzniku nežádoucího kmitání. Je-li po této době napětí v povoleném rozsahu, přejde PSE do provozního stavu.

Dle IEEE802.3af může režim aktivace trvat až 50 ms což odpovídá cca 180 µF, v praxi se však setkáme i se zařízeními s delším intervalem.

Blokové zapojení PD

Provozní režim

V případě úspěšného ukončení aktivační fáze poskytne PSE plné napájecí napětí, a které je signálem pro PD k zapnutí (aktivaci) spotřebiče. PD by neměl povolit zapnutí spotřebiče, pokud je napájecí napětí nižší než 36 Vna PD, resp. 44 V z PSE. Zatímco u spotřebičů s nízkým příkonem charakterem odporové zátěže lze ovládání spotřebiče zdrojem vypustit, zejména v případě měničů napětí inklinujících ke zvýšení odběru při nižším vstupním napětím je zapínání pomocí PD nezbytné, aby nedošlo k překročení povolených proudových limitů.

V provozním režimu jsou sice povoleny nárazově vyšší proudové odběry, avšak jejich délka nesmí překročit 50 ms, jinak dojde o odpojení napájecího napětí z PSE.

Naopak je stanoven minimální vyžadovaný odběr proudu, který nesmí poklesnout pod 10 mA (cca 0,5 W). Pokud se tak stane, PSE vyhodnotí tento stav jako odpojení spotřebiče a přeruší dodávku proudu. V aplikacích s nízkým příkonem lze potřebu minimálního proudu redukovat použitím krátkodobých proudových odběrů označovaných jako MPS (Maintain Power Signature), při kterých je minimální proud 10 mA odebírán po nejméně 75 ms, po kterých může následovat až 250 ms snížené spotřeby.

Klidový režim

Klidový režim týká pouze napájecího zdroje a je definován napětím 0 – 2,8 V. Jedná se o možnou zbytkovou hodnotu napětí pocházejícího z  PSE, na které nesmí PD reagovat. Klidový stav nastává v okamžuku, kdy není PSE schopen detekovat zařízení odpovídající standardu PoE.

Zvláštní požadavky na napájecí zdroj

Jak již bylo zmíněno výše, Power over Ethernet začíná PSE detekujícím zařízení vyhovující PoE, napájecí třídu a aktivujícím a napájejícím koncová zařízení vybavená PD. Kromě toho však PSE musí vědět, zda-li má k dispozici spotřebičem požadovaný výkon a v případě že nikoliv, nesmí připustit přetížení napájecího zdroje. Proto jsou speciální integrované obvody používané v PSE navíc vybaveny vstupy pro nastavení maximálního povoleného přenášeného výkonu. V případě víceportových PSE pak může být toto nastavitelné celkové omezení PSE, nebo jednotlivě pro každý port zvlášť.

Rozlišují se dva druhy PSE:

• PSE jako součást aktivního ethernetového prvku (hubu, switche, routeru)
  
• PSE jako obvod vložený mezi aktivní prvek a koncový bod (spotřebič) – jedná-li se o vložený obvod, nesmí se na vstupní ethernetové straně hlásit jako zařízení PoE (nesmí být vybaven 25 kΩ rezistorem) a musí být zajištěna ochrana pro případ že aktivní prvek již PSE obsahuje (např. ochranou diodou).

Příklad zapojení PD s MAX5917

Závěr

Použití standardu Power over Ethernet se stále více rozšiřuje s tím, jak klesají ceny speciálních integrovaných obvodů přímo určených pro práci na pozicích PSE či PD. Jedná se například o integrované obvody MAXIM MAX5922, MAX5917, LM2574 či LM4259 (vybavený dokonce I²C rozhraním pro paralelní řazení více obvodů a hromadné ovládání pomocí µC). Některé z nich si popíšeme příště.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stručný popis vlastností PoE - Power Over Ethernet – napájení ethernetových zařízení po datovém kabelu
• IEEE Std 802.3af - http://www.ieee802.org/3/af/
• http://poweroverethernet.com
• http://ethernet.industrial-networking.com