Power-over-Ethernet (PoE) – Ny IEEE 802.3bt-standard øker teknologien for IoT--utrustninger

Mange artikler og blogger har blitt skrevet om Power-over-Ethernet (PoE)-teknologi og konseptet. Et eksempel er Digi-Keys «En introduksjon til Power-over-Ethernet»-artikkel.

Denne artikkelen analyserer og legger vekt på de nye funksjonene som ble introdusert av den nyeste IEEE 802.3bt-standarden til dagens IoT-verden (tingenes internett – Internet of Things) der alt («tingen») er koblet, kontrollert og overvåket via internett.

Forbedringer av IEEE 802.3bt

Den første og viktigste forbedringen i 802.3bt-standarden er muligheten til å overføre mye mer strøm til edge-enheter (inngangspunktenheter) (drevne enheter eller PD-er) – 71,3 W, mens du sender 90 W fra strømforsyningsutstyr (power sourcing equipment – PSE).

For det andre støtter den opptil 10 Gb/sek i overføringshastighet for nettverksenhetene over en Cat5e-kabel.

Disse to forbedringene i strømforsyning og signalhastighet gjør at utallige nye IoT og spesielt IIoT (industriell IoT) kraft sultne og høyhastighetsenheter kan drives av PoE-teknologi. De følgende, er noen eksempler på disse nye utrustningene:

• Profesjonell lyd
• Digital skilting
• 5G-småcelleradioenheter (mobil infrastruktur: 3G, 4G, 5G-teknologier)
• 802.11ac-trådløse tilgangspunkter (WAP-er)
• Trådløse lokalnettverk med høy kapasitet (WLAN)
• Industriell tilgangskontroll
• Belysning
• Smarte hjem
• Bygg-/fabrikkautomatisering
• Betalingsterminaler (Point of Sale – POS-terminaler)
• Informasjonskiosker
• Utendørs IP-kameraer med varmere
• Skjermer / bærbare PC-er (laptoper)
• Digital takbelysning

Nye funksjoner i IEEE 802.3bt

Den nye PoE IEEE 802.3bt-standarden definerer flere nye funksjoner og forbedringer sammenlignet med den eldre 802.3at-standarden som resulterer i strømsparing og økt effektivitet; og dermed gjøre det mulig for flere kantenheter å bruke PoE-teknologi.

I prinsippet består en IoT-plattform av fire byggesteiner:

• Deteksjon (føling)/overvåking
• Behandling/prosessereing (MCU)
• Tilkobling (trådløs eller kablet)
• Strømstyring

De nye funksjonene / forbedringene av IEEE 802.3bt-standarden er gunstige for strømstyringsblokken til IoT som er nevnt ovenfor. Fire av disse nye funksjonene / forbedringene inkluderer kort MPS-signatur (maintain power signature – MPS), autoclass, enkel-/dobbel-signatur for den drevne enheten (PD-en), utvidet strøm til den drevne enheten (PD-en). Det blir utredet videre om den drevne enheten (PD-en) i avsnittene nedenfor.

Kort MPS-signatur (maintain power signature – MPS) – MPS er det minste strømforbruket trukket av den drevne enheten (PD-en), som vil holde den drevne enheten (PD-en) i gang og ikke bli frakoblet fra strømforsyningsutstyret (PSE-en). Strømforsyningsutstyret (PSE-en) er pålagt å fjerne strøm når MPS-en er fraværende i minst 400 ms, sørg for at frakoblede kabler ikke blir stående strømsatt.

I tillegg har nesten alle PD-er i IoT-utrustninger lav effekt eller hvilemodus. Slike drevne enheter (PD-er) må trekke en høyere strøm for å forbli strømsatt, som undergraver ideen om å ha laveffekts-standby-modus. Kort MPS løser dette problemet ved å redusere driftssyklusen og hvor lang tid en kraftsignatur må genereres for å opprettholde en strømforbindelse. Denne modifiseringen forbedrer minimum standbyeffekt med en faktor 10, noe som gjør at IoT-edge-enheter (inngangspunktenheter) kan drives med PoE og har akseptabel standby-effekt.

I IoT-utrustninger der et stort antall av enhetene bruker PoE, som for eksempel LED-belysning, er det viktig å redusere standby-effekten.

Autoclass – Autoclass gjør det mulig å optimalisere tildelingen allokeringen av strømforsyningsutstyrets (PSE-ens) effektbudsjettet til den drevne enheten (PD-en). I hovedsak «måler» PSE Ethernet-kabeltapene og strømforbruket til den tilkoblede drevne enheten (PD-en) i en definert periode, og «vet» å levere «faktisk» strøm til denne drevne enheten (PD-en) i stedet for en høyere «tildelt» effekt definert av PD-klassen. Dette tillater samme strømforsyningsutstyret (PSE-en) å drive flere drevne enheter (PD-er), og derfor flere IoT-edge-enheter (inngangspunktenheter).

Enkelt / dobbelt signatur av den drevne enheten (PD-en) - IEEE 802.3bt-standarden støtter to PD-konstruksjoner: enkelt-signatur-PD og dobbelt-signatur-PD. Strømforsyningsutstyret (PSE-en) må støtte både enkelt-signatur og dobbelt-signatur drevne enheter (PD-er).

Enheter med dobbelt-signatur muliggjør utrustninger som krever opp til samme maksimale effektnivå som enheter med enkelt-signatur, samt det gir den ekstra fleksibiliteten med forskjellige og isolerte lastkonfigurasjoner. Et eksempel på dette kan være et utendørs overvåkningskamera som må drives sammen med en varmeovn eller kjølevifte for å kontrollere ekstreme temperaturforhold. Et annet eksempel kan være IIoT-utrustninger med overflødige kretsløp som brukes til pålitelighets- og sikkerhetsformål som blir drevet vekselvis, men ikke samtidig.

Figur 1 viser konsepter med dobbeltsignatur / enkeltsignatur.

Figur 1: Konsepter med enkeltsignatur / dobbeltsignatur (Bildekilde: Microchip)

Mer teknisk informasjon om IEEE 802.3bt drevne enheter (PD-er) med to signaturer kan du finne på Ethernet Alliance (EA) nettsted.

Utvidet strøm til drevet enhet (PD) – IEEE 802.3bt-standarden definerer en maksimal effekt på 90 W som en strømforsyningsenhet (PSE) kan sende, samt 71,3 W som en drevet enhet (PD) kan motta. Dette effekttapet fra strømforsyningsutstyret (PSE-en) til en drevet enhet (PD) tar hensyn til det maksimale tapet på 19 W gjennom hele kabellengden på maksimalt 100 meter definert av Ethernet-standarden. Med den nye IEEE 802.3bt-standarden kan en drevet enhet (PD) måle kabelmotstanden, beregne effekten som blir tapt i kabelen og levere strøm høy nok til å kompensere for «bortkastede» effekttapet på 19 W over den 100 meter lange kabelen. Hvis avstanden fra en drevet enhet (PD) til strømforsyningsutstyret (PSE-en) er mindre enn 100 meter, kan mer enn 71,3 W leveres til en drevet enhet (PD). Hvis kabellengden for eksempel er i området 2–5 meter, kan effekten som den drevne enheten (PD-en) tar imort fra strømforsyningen (PSE-en) være nær 90 W som strømforsyningen leverer.

IEEE 802.3bt forbedringer i effekteffektivitet

Selv om det ikke er definert eksplisitt av 802.3bt-standarden, men nær ratifiseringen og i ånden av effektiviteten til styring og IoT-utrustningen, har flere ledende PoE IC-leverandører forbedret utformingen av brikkene (chip-ene) sine for å møte effektiviteten.

Figur 2: PoE-blokkeringstopologi (Bildekilde: Microchip)

Før du ser på figur 2, bør funksjonaliteten til både strømforsyningsutstyret (PSE-en) og den drevne enheten (PD-en) defineres.

For strømforsyningsutstyret (PSE-en) kan funksjonalitetskravene kort oppsummeres som følger:

• Finn en gyldig dreven enhet (PD)
• Klassifiser strømstyrken til den drevne enheten (PD-en)
• Levere 4 W–90 W effekt ved 44–57 volt til den drevne enheten (PD-en)
• Utfør effektoptimalisering og allokering
• Utfør feilovervåkning og frakobling når det er nødvendig
• Slå av strømmen til den aktuelle porten hvis det blir oppdaget en tilstand med understrøm
• Sørg for overspenningsvern
• Sørg for isolasjon fra bryterkretser

Tilsvarende er et sammendrag av funksjonaliteten til en dreven enhet (PD) som følger:

• Sørg for beskyttelse for polaritet
• Sørg for signaturer for deteksjon avog riktig klassifisering
• Utfør effektoptimalisering
• Sørg for isolasjon
• Sørg for en valgfri forspenning (bias) for DC–DC oppstart (likestrøm–likestrøm)
• Konverter 57 V ned til den nødvendige regulerte forsyningsspenningen som brukes av utrustningen

Som det fremgår av figur 2, sendes strømen fra strømforsyningen (PSE-en) gjennom Ethernet-kabelen til den drevne enheten (PD-en). Den drevne enheten (PD-ens) diodebro-krets likeretter deretter kabelspenningen. I 2-pars PoE-systemer kan spenningen leveres over enten dataparene eller reserveparene, men ikke begge. I 4-pars PoE-systemer definert av IEEE 802.3bt, alle par er drevne (strømsatte).

Derfor er det nødvendig med to broer inne i den drevne enheten (PD-en) (figur 3).

Figur 3: To broer inne i den drevne enheten (PD-en) (Bildekilde: Analog Devices/Linear Tech)

Den konvensjonelle diodebro-løsningen har flere ulemper:

• Høyt effekttap forårsaket av kabelspenningsfallet
• Høy varmeavledning
• Krever ytterligere termiske konstruksjonshensyn

På grunn av ulempene ovenfor er bruken av tradisjonelle diodebroer i mange IoT-utrustninger veldig problematiske, om ikke umulige.

En mer effektiv løsning enn diodebroen er den såkalte IdealBridge^™, først introdusert av Microsemi (nå Microchip). Denne løsningen er en N-kanals MOSFET-basert bro med en styringsenhet (kontroller).

Forskjellene mellom en dobbel konvensjonell diodebro og en enkelt IdealBridge er vist i figur 4.

Figur 4: Dobbel konvensjonell diodebro kontra en enkelt IdealBridge™ (Bildekilde: Microchip)

Fordelene med IdealBridge inkluderer:

• Den fullt integrerte løsningen reduserer materialkostnad – Sparer plass på kretskortet (PCB) og forenkler implementeringen
• Selvkjørende kretsløp for MOSFET-er
• Lav R_{DS (ON)}, lavt energiforbruk
• Maksimering av effekteffektivisering – leverer høyere effekt og spenning
• Dramatisk reduserer varmespredning, eliminerer termiske konstruksjonsproblemer og behovet for en varmeavleder
• Fungerer med 2-pars og 4-pars PoE-utrustninger
• Kompatibel med IEEE 802.3xx standarder

Microsemi / Microchip introduserte den første «IdealBridge™»-løsningen med PD70224. Andre lignende løsninger fra andre leverandører er Analog Devices/Linear Tech sin LT4321, ON Semiconductor sin FDMQ8205A 1-kanals ideelle diode (ikke bro) og STMicroelectronics sin PM8805 integrerte løsning (IdealBridge integrert i en dreven enhets IC-brikke).

Konklusjon

Den nyeste IEEE 802.3bt-standarden tilfører nye funksjoner til PoE-teknologien og forbedrer de eksisterende. Disse funksjonene utvider rekkevidden til kantenhetene som kan kobles til ved hjelp av PoE-konseptet, og støtter dermed mange nye IoT-utrustninger.

For å støtte infrastrukturer som ikke er PoE, er det forskjellige mellomløsninger som midspans / injektorer og effektdelere. Det er imidlertid viktig å merke seg at IEEE 802.3bt er en ganske ny standard, mange leverandører har tilbudt produkter på dette området før ratifiseringen i slutten av 2018. For å utnytte fordelene ved IEEE 802.3bt nye funksjoner og opprettholde interoperabilitet mellom leverandørene, må delene og produktene være kvalifisert for denne IEEE 802.3bt-standarden, som eksplisitt skal angis i databladene.