Strøm over Ethernet med ett ledningspar åpner nye dører for utrustninger

Strøm over Ethernet (PoE – Power over Ethernet) kan brukes til å forsyne strøm over Ethernet-kabler, og har vært tilgjengelig i mange år, men appellen er noe begrenset på grunn av avstandsbegrensningen på 100 meter eller mindre. Nå eksisterer det en banebrytende IEEE-standardisert teknologi med SPoE (single-pair power over Ethernet) som gjør det mulig å overføre strøm og data over lange avstander ved å bruke ett tvunnet par i en Ethernet-kabel, noe som åpner et nytt grenseland for innovative utrustninger.

Ethernet er veletablert og mye brukt for datakommunikasjon mellom enheter, og det bruker fire par tvunnede kobberledninger til å føre datasignaler, der hvert par fører én retning av dataflyten. Enheter som bruker Ethernet krever vanligvis også en separat strømforsyning, noe som øker kablings- og installasjonskostnadene.

Strøm over Ethernet (PoE - Power over Ethernet) ble utviklet som en utvidelse for Ethernet-standarden, slik at enheter kan motta både data og strøm over den samme kabelen ved å bruke to ledningspar til å føre data og de to andre til å strømsette enheter.

PoE kan levere opptil 90 W effekt over en maksimal avstand på opptil 100 m. Dette har gitt opphav til PoE-utrustninger som IP-kameraer, trådløse tilgangspunkter, VoIP-telefoner og smarte belysningssystemer som kan distribueres og drives over en enkelt kabel. I tillegg til avstandsgrensen, eksisterer det også andre PoE-utfordringer, blant annet behovet for store og dyre kontakter og kabler som kan håndtere høye strøm- og spenningsnivåer, strømtap og varmeavledning.

En introduksjon til SPoE

Ved å bruke bare ett ledningspar til å føre både data og strøm, kan SPoE oppnå datahastigheter på opptil 1 Gb/s og levere opptil 52 W strøm over kabellengder på opptil 1 km (figur 1). Dette oppnås ved å bruke mindre og mer kostnadseffektive kontakter og kabler som er kompatible med eksisterende RJ45-kontakter.

Figur 1: Et SPoE-system for overføring av opptil 52 W effekt. (Bildekilde: Analog Devices)

Med reduserte kostnader og enklere implementering, er SPoE godt egnet for et bredt spekter av bruksområder innen industri, bilelektronikk, bygningsautomatisering og IoT-miljøer, der det enten er upraktisk, kostnadsmessig uansvarlig eller begge deler å installere nye kabler eller utelukkende stole på trådløse nettverk. Den gir omfattende systemtelemetri for å overvåke energioverføringstilstanden, feildeteksjon og overspenningsbeskyttelse.

I industrielle omgivelser kan SPoE drive sensorer og styringsenheter over lange avstander uten å måtte legge til lokale strømkilder, forenkle nettverksinfrastrukturen, redusere installasjonskostnadene og gi sentral strømstyring. Den kan brukes til å forsyne strøm over eksisterende Ethernet-kabler, noe som gjør det raskt og relativt enkelt å legge til SPoE-svitsjer og -endepunkter.

SPoE er en del av IEEE 802.3-standarden – IEEE 802.3 cg for 10 Mb/s Ethernet over ett tvunnet par (10Base-T1L) – som gir en utvidelse til IEEE 802.3bu, PoDL-standarden (PoDL – Power over Data Lines). PoDL brukes i systemer som er opptil 40 m unna og drives med en spenning på 12 V, 24 V eller 48 V. SPoE brukes i systemer som er opptil 1000 m unna og drives med en spenning på 24 V eller 55 V.

SPoE er ideell for utrustninger som trenger lav til middels strøm og høye datahastigheter over lange avstander, noe som ikke er mulig eller økonomisk egnet for PoE.

Potensielle bruksområder for SPoE omfatter:

• Driftsteknologiske systemer der pålitelig kommunikasjon og strømforsyning er avgjørende for prosesstyring og automatisering
• Bygnings- og fabrikkautomasjonssystemer som kan overvåke og styre miljø- og maskinparametere
• Feltinstrumenter, f.eks. sensorer og aktuatorer, som kan distribueres med større fleksibilitet og lavere kostnader
• Sikkerhetssystemer, f.eks. for tilgangskontroll og -overvåking, der SPoE lettere kan skaleres
• Trafikkstyringssystemer som krever konsekvent drift og konnektivitet
• Strømforsyning og administrasjon av IoT edge-enheter
• Ekstern strømforsyning for digital skilting og utendørsbelysning

Betraktninger forbundet med SPoE-konstruksjon

SPoE bruker «fantomstrømteknikken» (phantom power technique) til å overlegge strømsignalet over datasignalet på det samme ledningsparet, noe som krever komplekse styringer i hver ende av kabelen for å skille og regulere strøm- og datasignalene. Utrustninger må også ta hensyn til strømtap og varmeavledning langs kabelen, noe som kan påvirke ytelsen og påliteligheten til systemet.

En PSE-styring (PSE – power sourcing equipment) gir avansert strømstyring og -omforming, noe som sikrer at strømforsyningen er trygg, stabil og effektiv. Den fungerer i kombinasjon med PD-styringer (Power Device Controllers) som mottar energi over kabelen med to ledninger.

PSE-styringer som er konstruert for flere kanaler kan drive ulike eksterne enheter, for eksempel sensorer. LTC4296-1 (figur 2) fra Analog Devices, Inc. (ADI), for eksempel, er en SPoE-styring med fem porter som kan forsyne opptil fem laster med energi over fem linjer, der hver kan være opptil 1000 m lang. Den forsyner strøm ved å bruke en ekstern MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) med lav drain-source-på-motstand (R_DS(ON)), som minimerer spenningsfall og sikrer robusthet.

Figur 2: ADIs LTC4296-1 PSE-styring (PSE – power sourcing equipment) med fem porter. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 gir en allsidig SPoE, PSE-løsning for 10BASE-T1L-styringer og -svitsjer, og kan enkelt integreres med ADIs sortiment av 10BASE-T1L-transceivere, for eksempel ADIN2111CCPZ-R7-enheten med 2-porter, som integrerer en svitsj, to PHY-kjerner (PHY – Ethernet physical layer) med et MAC-grensesnitt og tilknyttede analoge kretser, en overvåkingskrets for spenningsforsyning og POR-kretser (POR – power-on reset). Transceiveren gir direkte tilkobling til en rekke styringer via et SPI-grensesnitt (SPI – serial peripheral interface).

I den andre enden finner vi LTC9111RDE#PBF, en av flere PD-styringer fra ADI som gir en driftsområdekapasitet på 2,3 V til 60 V med polaritetskorreksjon (figur 3). Styringen håndterer klassifiseringen og overvåkingen av linjeoverføringen, og driver to eksterne N-kanal MOSFET-svitsjer under klassifisering med mikrokraftdrift for å minimere reservoarkondensatorkravene. En ekstern N-kanal MOSFET-svitsj isolerer utgangskapasitansen fra kontakten under klassifisering og innkoblingsstrøm.

Figur 3: En LTC4296-1 SPoE PSE-styring er egnet for å drive opptil fem kanaler, her koblet til LTC9111 PD-styringer. (Bildekilde: Analog Devices)

LTC9111-seriens styringer presenterer en gyldig aktiveringssignatur til PSE-en for å be om strøm. IEEE 802.3cg-kompatible PSE- og PD-styringer utfører klassifiseringstrinnet ved å bruke «Serial Communication Classification Protocol». PSE-en sikrer at PD-en er kompatibel, og hvis den er det fortsetter den å øke portspenningen. Hvis den aktuelle elektriske enheten trenger en annen spenning enn 24 V eller 55 V, brukes en ekstra DC–DC-omformer.

ADI tilbyr også EVAL-SPoE-KIT-AZ-evalueringssettet for evaluering av 10BASE-T1L-data og SPoE-strøm over en Ethernet-kabel med ett tvunnet par (SPE – single twisted pair Ethernet). Settet har LTC4296-1 PSE-styringen og LTC9111 PD-en for evaluering av IEEE 802.3cg klasse 10 til 15 SPoE-strøm, og en 10BASE-T1L-transceiver for å levere data i systemet.

Implementering av SPoE-utrustninger

Produktutviklere må optimalisere strømbudsjettet og virkningsgraden til SPoE-løsningene ved å ta hensyn til parametere som kabellengde, diameter, motstand, temperatur og miljø.

Det å balansere strømforsyning med dataoverføring over ett tvunnet par byr på utfordringer, for eksempel å sikre tilstrekkelig strøm til eksterne enheter, samtidig som dataintegriteten opprettholdes over potensielt lange avstander.

Strømforsyning over lange kabler ved en forsyningsspenningen på 24 VDC, som er vanlig i mange OT-distribusjoner, er utsatt for betydelige tap på grunn av kabelmotstand. SPoE er spesifisert i IEEE 802.3cg-standarden for å fungere ved en spenning på 24 V eller 55 V, slik at konstruktører kan dra nytte av økt virkningsgrad på strømforsyningen nær den maksimale «ekstra lave spenningen for sikkerhet» (SELV – safety extra-low voltage) på 60 V.

Konklusjon

SPoE er en ny teknologi som muliggjør samtidig overføring av data og strøm over ett tvunnet par i Ethernet-kabler. Dette kan redusere kostnadene, kompleksiteten og miljøpåvirkningen til nettverksinfrastrukturer, samt gi mer fleksibilitet, skalerbarhet og pålitelighet for tilkoblede enheter. ADIs sortiment av IEEE 802.3cg-kompatible PSE- og PD-styringer kan forenkle konstruksjonen og implementeringen av SPoE-utrustninger med høy virkningsgrad og lavt støynivå, noe som gjør dem ideelle for industri, bilelektronikk og smarte bygningssystemer som krever robust og pålitelig konnektivitet.