Designa med High-Power Power Over Ethernet med hjälp av färdiga IEEE 802.3bt-lösningar

Efter introduktionen av Power over Ethernet (PoE) 2003 har teknikens kapacitet för leveranser ökat dramatiskt från ursprungliga 15,4 watt till 30 watt, men dagens konstruktörer behöver ännu mer till sina tillämpningar. I ett nytt tillägg till PoE-specifikationen, IEEE 802.3bt, hanteras detta behov genom att leveranser på upp till 60 watt (och i en del tillämpningar upp till 90 watt) blir möjliga i strömkällan.

Tillägget ratificerades i slutet av 2018. De första integrerade PSE-kontrollerna (PSE = Power Sourcing Equipment) och PD-gränssnitten (PD = Powered Device) för kommersiellt bruk finns nu tillgängliga, och gör att konstruktörer kan utnyttja fördelarna i det som numera kallas High-Power PoE.

I denna artikel beskriver vi hur IEEE 802.3bt skiljer sig från tidigare versioner av PoE, dvs. innan de integrerade PSE-kontrollerna och PD-gränssnitten från Microsemi, Texas Instruments (TI), Linear Technology och Nexperia introducerades. Artikeln beskriver hur dessa enheter används bäst vid konstruktionen av ett system, och tar upp viktiga överväganden såsom kretsskydd samt design- och layoutkrav.

Vad är IEEE 802.3bt?

Den ursprungliga standarden (IEEE 802.3af) hade specifikationer på upp till 15,4 watt i strömkällan, vilket passade tillämpningar som IP-telefoner och Wi-Fi-åtkomstpunkter men inte var tillräckligt för senare tillämpningar såsom IP-videotelefoner eller PTZ-kameror (kameror som kunde panorera, lutas och zooma). Ett tillägg från 2009 (IEEE 802.3at) löste detta problem genom att 30 watt i strömkällan angavs i specifikationen. Under de senaste åren har efterfrågan på ännu högre effekt ökat. Det behövs för att ge stöd åt Ethernet-uppkopplade tillämpningar som kassaterminaler (POS), IEEE 802.11ac-åtkomstpunkter och uppkopplad LED-belysning.

För att bemöta denna efterfrågan höjs nu den lägsta PSE-uteffekten och den lägsta PD-ineffekten i det nya tillägget IEEE 802.3bt (High-Power PoE) till den tidigare PoE- och PoE+-specifikationen. Den största förändringen består i att ström kan ledas över alla fyra tvinnade par i en Cat5e Ethernet-kabel. PoE och PoE+ använde enbart två av tvinnade paren: antingen datalinjerna i så kallade Alternativ A-tillämpningar eller reservlinjerna i Alternativ B-tillämpningar. (Se artikeln En introduktion till Power-over-Ethernet i Digi-Keys bibliotek.)

Den nya specifikationen innebär även att PSE- och PD-enheter av Typ 3 och Typ 4 introduceras (vilka kan hantera 60 respektive 90 watt) samt ytterligare klasser (5–8) för ut- och ineffekt (tabell 1). Det är viktigt att notera att tillägget är utformat för att uppfylla de krav på begränsningar av strömkällan och SELV-kretsen som anges i ISO/IEC 60950, och där effekten begränsas till högst 100 watt per port.

Tabell 1: Jämförelse mellan High-Power PoE (IEEE 802.3bt) med PoE (IEEE 802.3af) och PoE+ (IEEE 802.3at). Med IEEE 802.3bt följer såväl högre effekt som nya typer av PSE- och PD-enheter samt nya klasser. (Tabellkälla: Microsemi)

Förbättringar med IEEE 802.3bt

Utöver den högre effekt som blir möjlig tack vare High-Power PoE innehåller specifikationen även andra funktioner. Några av de viktigaste är:

• Funktion för automatisk klassificering
• Stöd för låg standbyeffekt
• Utökad kapacitet om kanallängden (kabeln) är känd

Automatisk klassificering (”autoklassning”) är en ny och valfri klassificeringsmekanism som enbart finns på High-Power PoE. Den gör att en PD kan kommunicera sin effektiva maximala effektförbrukning till PSE-enheten, så att denna kan ställa in effektbudgeten så att den stämmer exakt med den angivna nivån (plus viss reserv för kanalförluster och en säkerhetsmarginal). Det ökar effektiviteten i systemet.

När det gäller strömsättning av tillämpningar där standbyläget är strikt reglerat, har High-Power PoE stor betydelse för den minsta varaktighet för strömimpulsen som behövs för att säkerställa att PSE-enheten har ström. Tidigare använde PD-enheter av Typ 1 och 2 en MPS-signatur (Maintain Power Signature) som bestod av en strömimpuls på 10 milliamp (mA) i minst 75 millisekunder (ms) per 325 ms, och en AC-impedans under 26,3 kiloohm (kΩ) parallellt med 0,05 mikrofarad (μF). Ändringen som följer av IEEE 802.3bt-specifikationen (avseende PSE av Typ 3 och 4) ger en pulsvaraktighet motsvarande runt 10 procent av vad som krävs för en PSE av Typ 1 eller Typ 2.

Den utökade strömhanteringsfunktionen är en annan viktig förändring. PD-enheten mäter kabelmotståndet och beräknar strömförlusten och därmed den reservkraft som behövs för att säkerställa att PD-enheten får den lägsta ineffekt som anges i specifikationen. I värsta fall motsvarar detta den reservkraft som specificeras i tidigare tillägg, men i praktiska tillämpningar blir den sannolikt lägre vilket sparar energi.

Startsekvens med High-power PoE

Med ytterligare fyra klasser för PSE-uteffekt (klasserna 5 till 8) och motsvarande för PD-ineffekten samt två nya typer (Typ 3 och 4) av PSE och PD blir startsekvensen mer komplex. Detta har implikationer för utvecklare som utformar High-Power PoE-system och kan påverka valet av PSE-kontroll.

Generellt sett betecknas en enhet som är kompatibel med IEEE 802.3af eller IEEE 802.3at som en enhet av Typ 1 (klass 0–3) eller Typ 2 (klass 4). Enheter som är kompatibla med IEEE 802.3bt betecknas som enheter av Typ 3 (klass 5, 6) eller Typ 4 (klass 7, 8). High-Power PoE definierar en metod att ge säker strömsättning till en PD över en kabel från en PSE, och därefter stänga av strömmen om PD-enheten kopplas bort från kabeln.

IEEE 802.3bt innehåller även en begränsning av inkopplingsström och tid för att säkerställa kompatibiliteten mellan PSE- och PD-enheter av alla typer eller klasser. Begränsningen för inkopplingsströmmen är 400 till 450 mA för klass 0 till 4, 400 mA till 900 mA för klass 5 till 6, och 800 mA till 900 mA för klass 7 till 8. Begränsningen för inkopplingsströmmen till PSE gäller i upp till 75 ms efter start, och därefter ger PSE Typ 2, 3 eller 4 stöd för högre uteffekt i enlighet med klassifikationen.

Startsekvensen för High-Power PoE inleds med att PSE-enheten stänger av strömmen medan en kontroll görs av om något har anslutits till kabeln. PSE-enheten klassificerar sedan PD-enheten innan den avger den effekt som PD-enheten begär, eller den maxeffekt som den kan ge om kapacitet saknas för att täcka PD-enhetens hela behov. Det finns även ett fjärde driftläge som används av PSE-enheter av Typ 3 och 4 för att kontrollera huruvida PD-enheten har samma klassificeringssignatur på varje tvinnat par.

Eftersom detta är en tillvalsfunktion (alla High-Power PoE-kompatibla PSE- och PD-enheter har inte stöd för autoklassning) måste en kontroll göras i databladet av om denna funktion utgör en del av specifikationen för utvecklarens system. PD70210ILD-TR från Microsemi är en front-end PD-gränssnittskontroll som gör detta via ett ”Enhanced Classification Block”. PD70210ILD-TR identifierar dessutom vilka av de fyra paren i kabeln som faktiskt får ström, och genererar motsvarande flaggor (bild 1).

Bild 1: Microsemis PD70210ILD-TR front-end PD-gränssnittskontroll innehåller ett avancerat klassificeringsblock som underlättar klassificeringen av de nya klasser och PD-typer som introduceras med High-Power PoE. Chippet kan också identifiera vilka av de fyra tvinnade paren i kabeln som faktiskt får ström med hjälp av stiften SUPP_S1 och SUPP_S2. (Bildkälla: Microsemi)

En PSE som implementerar autoklassning kontrollerar först ifall PD-enheten har stöd för funktionen genom att kontrollera om effekten för klassen faller till effektnivån för Klass 0 efter en kort fördröjning. Om stöd finns kan PSE-enheten gå vidare med autoklassningsmätningen omedelbart efter systemstart, med den PD som drar högsta effekt inom de följande 1,35 till 3,65 sekunderna. Efter start måste PD-enheten presentera en MPS för att signalera till PSE-enheten att den fortfarande är ansluten. Förlust av MPS får PSE-enheten att stänga av strömmen (bild 2).

Bild 2: High-Power PoE-startsekvensen är mer komplex än i tidigare versioner eftersom nya klasser och typer av PSE och PD har tillkommit. Nu innehåller processen tre huvudsteg (detektering, klassificering och drift) och inspänningarna som utlöser varje steg visas. (Bildkälla: Texas Instruments)

Nya kontroller uppfyller High-Power PoE-specifikationen

Ända sedan PoE-ratificeringen har utvecklare haft god tillgång till integrerade PSE-kontroller och PD-gränssnitt att utgå från i sina konstruktioner. Trenden fortsätter med IEEE 802.3bt. Eftersom tillverkarna var så tillmötesgående att de tog fram produkter redan medan specifikationen var på utkaststadiet, finns det redan ett flertal PSE-kontroller och PD-gränssnitt på marknaden utöver den enhet från Microsemi som beskrivs ovan.

Linear Technology erbjuder till exempel kretsuppsättningen LTC4291-1/LTC4292. Komponenterna är utformade för att fungera tillsammans i Typ 3 eller 4 PSE-kontroller. Bland strömhanteringsfunktionerna märks per-port 14-bitars strömövervakning, programmerbar effektgräns samt flexibel avstängning av förvalda portar. För PD-detektering används en egen multipunktsdetekteringsmekanism som bidrar till att förhindra felaktig PD-identifiering. Autoklassning stöds, och kretsuppsättningen är stift- eller I2C-programmerbar för förhandlingar upp till 71,3 watt på PD-enheten.

Kretsuppsättningen LTC4291-1/LTC4292 är känd för sin integreringsnivå; praktiskt alla kretsar som behövs för att implementera en IEEE 802.3bt-kompatibel PSE-design ingår, och bara några få kompletterande perifera enheter krävs. Enheten är uppdelad på två kretsar (processor plus strömförsörjning) och ger enklare PSE-isolering genom att tillåta att LTC4291-1 finns på den icke-isolerade sidan. Där kan den få ström från moderkortets strömförsörjning och ansluta direkt till I²C/SMBus-bussen. Kretsuppsättningen har ett eget isoleringsschema för kommunikationen mellan kretsarna, där optoisolatorer och isolerade strömförsörjningar ersätts med transformatorer till låg kostnad. Transformatorerna är 10BASE-T- eller 10/100BASE-T-enheter med omsättningsförhållandet 1:1 och common mode-drosslar (bild 3).

Bild 3: LTC4291-1/LTC4292 fyraports IEEE 802.3bt PoE PSE-kontroll från Linear Technology har egen isolering vilket underlättar för konstruktören genom att optoisolatorer och isolerade strömförsörjningar ersätts med transformatorer till låg kostnad. (Bildkälla: Linear Technology)

För att dra full nytta av High-Power PoE behöver en PD ha ett Typ 3- eller 4-gränssnitt, annars kommer PSE-enheten enbart att ge den maxeffekt som definieras av IEEE 802.3af på 15,4 watt (12,95 watt i PD-enheten). Ett alternativ för det här gränssnittet är TI:s TPS2372-4RGWT som innehåller alla de funktioner som behövs för att implementera ett PD-gränssnitt av Typ 1 till Typ 4 enligt IEEE 802.3bt.

Lågt motstånd i den interna brytaren gör att TPS2372-3 och TPS2372-4 kan ge stöd för High-Power PoE-tillämpningar upp till 60 respektive 90 watt, och dess funktion för automatisk MPS gör att den kan användas i tillämpningar med krav på standbylägen med mycket låg strömförbrukning. Notera att kravet på MPS för enheten enligt IEEE 802.3bt är tillämpbart på PSE-änden på kabeln. Det betyder att beroende på kabellängd och övriga parametrar såsom bulkkapacitansen, kan längre varaktighet krävas för MPS av verifieringsskäl. För detta ändamål har TPS2372 tre olika alternativ för MPS-pulsens varaktighet och driftcykel, vilka väljs med inmatningsstiftet MPS_DUTY.

TPS2372 implementerar inkopplingsströmnivåer som är kompatibla med samtliga PSE-typer. Kretsen implementerar även en fördröjningsfunktion som gör att PSE-enheten kan slutföra inkopplingsströmfasen innan den frisläpper Power Good (PG)-utmatningen. Detta säkerställer att kraven på startsekvensen enligt IEEE 802.3bt är uppfyllda. Kretsens autoklassningsfunktion gör att ingången kan ge åtkomst till alla de avancerade strömoptimeringslägen för system som specificeras i IEEE 802.3bt-standarden.

Komma igång med High-Power PoE

Vid användning av en högintegrerad kretsuppsättning som LTC4291-1/LTC4292 har stora delar av det utmanande designarbetet gjorts av kretskortstillverkaren, men det återstår ändå en del viktiga val av externa komponenter och riktlinjer för PC-kortlayouten att ta ställning till. Mycket av detta följer de allmänna designriktlinjerna för konstruktion av PoE-system, men lämpliga komponenter måste väljas för den högre spänningen och de effektnivåer som introduceras i High-Power PoE.

Exempelvis krävs en digital strömförsörjning och en PoE som huvudströmförsörjning för de V_DD- och V_EE-linjer som visas i bild 3. V_DD kräver 3,3 volt och V_EE kräver negativ spänning mellan –51 och –57 volt för Typ 3 PSE-enheter, och –53 till –57 volt för PSE-enheter av Typ 4. En keramisk avkopplingskondensator på minst 0,1 μF ska placeras från V_DD till DGND, så nära som det är praktiskt möjligt till varje LTC4291-1. För att upprätthålla nödvändig isolering får LTC4292 AGNDP och LTC4291-1 DGND inte vara anslutna.

V_EE är den isolerade PoE-huvudströmförsörjningen som ger ström till PD-enheterna. Eftersom den avger förhållandevis stor effekt och utsätts för betydande transientspänning, krävs en mer omsorgsfull design än för ett vanligt moderkort. Högst systemeffektivitet uppnås om V_EE ställs in nära maximal amplitud (57 volt), och den marginal som lämnas ska bara vara tillräcklig för att ta hand om över- eller undertransientspänningar, temperaturdrift och linjereglering. En elektrolytisk bulkkondensator på minst 47 μF krävs mellan AGNDP och V_EE för att minimera falska återställningar vid eventuella elektriska transientspänningar.

Valet av en extern MOSFET är ett annat avgörande beslut som utvecklaren måste ta. Denna MOSFET utgör strömväxlingsenheten som styr PSE-utmatningen. Valet av komponent har stor effekt på systemets tillförlitlighet och kräver att konstruktören analyserar och testar sin MOSFET i ett säkert driftsområde (SOA) mot olika PSE-strömbegränsningsförhållanden. Linear Technology rekommenderar Nexperia PSMN075-100MSEX för PSE-enheter som konfigureras för att leverera upp till 51 watt i PD-enheten, eller PSMN040-100MSEX för 71,3 watt i PD-enheten eftersom dessa MOSFET:ar har beprövad tillförlitlighet i PoE-tillämpningar.

Kretsuppsättningen LTC4291-1/LTC4292 är utformad för ett 0,15 Ω strömavkännande motstånd per kanal. Utvecklaren måste lägga till två parallella 0,3 Ω-resistorer placerade som visas i bild 4. Avkänningsresistorerna måste ha ±1 procents tolerans eller mer, och inte fler än ±200 delar per miljon (ppm)/°centigrad (C) som temperaturkoefficient för att uppfylla High-Power PoE-specifikationen.

Bild 4: Visar blocklayouten för det obligatoriska topp till botten-lagrets avkänningsresistor för LTC4292. Valet och placeringen av avkänningsresistor (RSTx) har avgörande betydelse för att High-Power PoE-specifikationen ska uppfyllas. (Bildkälla: Linear Technology)

Varje port kräver en 0,22 μF-kondensator över OUTnA och OUTnB till AGNDP (se bild 3 igen) för att hålla LTC4292 stabil under effektbegränsningen vid systemstart eller överlast. X7R keramiska kondensatorer märkta för minst 100 volt rekommenderas, och dessa måste placeras nära LTC4292.

Ethernet-portar kan utsättas för betydande elektriska transientspänningar. Omfattande överspänningsskydd för PoE-system är ett ämne som också berörs och kräver en separat artikel, men ett minimikrav är ett bulkspänningsskydd, till exempel en TVS (avledning av transientspänning (TVS)-diod (TVS_BULK) och bulkkapacitans (C_BULK) för att undertrycka överström och spänningar till säkra nivåer för varje port (bild 5). En 10 Ω seriekopplad resistor (R1) måste även användas från AGND-tillförseln till LTC4292 AGNDP-stiftet. Över LTC4292 AGNDP-stiftet och V_EE-stiftet ska en 58 volts TVS-diod (D1) och en 1 μF, 100 volts förbikopplingskondensator (C1) placeras nära LTC4292-stiften. Slutligen kräver varje port ett par med S1B-klämdioder: en från OUTnM till AGND-tillförseln och en från OUTnM till V_EE-tillförseln. Dessa dirigerar elektriska transientspänningar till spänningsskenor där de absorberas av spänningsavledarna.

Bild 5: PSE-kontroller kräver skydd mot elektriska transientspänningar. Här visas Linear Technologys LTC4292 med nödvändiga spännings-/strömavledare och komponenter för att avleda transientspänningar från de känsliga kretsarna. (Bildkälla: Linear Technology)

I PD-gränssnittet gör den höga graden av integration av kretsar som TI:s TPS2327 återigen livet lite enklare för utvecklaren, men vissa externa komponenter krävs dessutom (bild 6).

Till exempel krävs dioder på kabelingången till PD-gränssnittet. För TPS2327 rekommenderar TI 3 amp till 5 amp, 100-volts diskreta eller förbikopplade Schottky-dioder istället för konventionella dioder i High-Power PoE-tillämpningar eftersom effektförlusten i dioderna är 30 procent lägre. En sak som utvecklaren ska överväga är att Schottky-dioder ofta har en högre backläckström än normala PN-övergångsdioder, vilket gör det svårt att uppfylla kravet på maximal återkopplingsspänning på 2,8 volt som anges i specifikationen. Som kompensation ska måttfulla gränser för arbetstemperaturen för dioden och enheter med låga läckagenivåer väljas i sådana implementeringar. Schottky-dioder är också mer känsliga för elektriska transientspänningar än konventionella dioder, så spännings-/strömskydd i form av ferritkärnor och kondensatorer rekommenderas.

IEEE 802.3bt-specifikationen innehåller en förbikopplingskondensator för inspänning på 0,05 till 0,12 μF (vanligen en 0,1 μF, 100-volts, ±10 % keramisk) över VDD till VSS. Specifikationen kräver också en detekteringsresistor, R_DEN, klassificeringsresistorer R_CLSA och R_CLSB, samt en MPS-resistor R_MPS. En resistor på 24,9 kΩ, ±1% rekommenderas för R_DEN. Klassificeringsresistorer ansluts från CLSA och CLSB till VSS för programmering av klassificeringsströmmen enligt IEEE 802.3bt-standarden. Värdet av dessa resistorer och den klass som strömmen tilldelas avgörs av den maximala genomsnittliga effekt som dras av PD under drift. R_MPS anger MPS-driftcykeln; till exempel ställer en 1,3 kΩ-resistor driftcykeln till 26,4 %. Om MPS_DUTY till RSS kortas av, ställs driftcykeln in på 12,5 %.

För High-Power PoE PD-gränssnittet krävs även spänningsskydd med TVS-diod och bulkkondensator (D1, C_BULK) över strömlinjerna för absorbering av elektriska transientspänningar i denna ände av kabeln.

Bild 6: Tillämpningsschemat för TI:s TPS2372 High-Power PoE PD-gränssnitt visar de perifera komponenter som krävs för att slutföra designen – primärt inmatningsdioder, störningsskydd samt detekterings-, klassificerings- och MPS-resistorer. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det finns många designriktlinjer för att säkerställa att PC-kortlayouten, placeringen av delarna samt tråddragningen uppfyller kraven i IEEE 802.3bt-specifikationen vad avser parametermätningens precision, systemets tålighet och värmespridning. Både Linear Technology och TI erbjuder referensdesigner för sina PSE-/PD-gränssnitt, vilka följer specifikationen och kan fungerar som en användbar guide för utvecklaren.

Slutsatser

Med High-Power PoE utökas möjliga tillämpningar med PoE och effektiviteten förbättras. Det har dock gjort implementeringen mer komplex genom att fler PSE-kontroller och PD-gränssnittstyper och -klasser har tillkommit utöver ytterligare drift- och säkerhetsfunktioner.

För konstruktören finns det hjälp i form av lösningar med integrerade PSE-kontroller och PD-gränssnitt som innehåller dessa funktioner som standard. Tack vare dessa blir designprocessen betydligt enklare och snabbare, eftersom de reducerar antalet perifera komponenter som krävs för att systemet ska bli komplett.