Power-over-Ethernet (PoE) - Nya IEEE 802.3bt-standarden förbättrar tekniken för IoT-tillämpningar

Många artiklar och bloggar har skrivits om Power-over-Ethernet (PoE)-tekniken och dess koncept. Ett exempel är Digi-Keys artikel En introduktion till Power-over-Ethernet.

Denna artikel analyserar och framhäver de nya funktioner som tillkommit med den senaste IEEE 802.3bt-standarden till dagens värld av sakernas internet (IoT), där allting (“sakerna”) är anslutet, styrt och övervakat via internet.

Förbättringar i IEEE 802.3bt

Den första och viktigaste förbättringen i 802.3bt-standarden är förmågan att överföra mycket mer effekt till enheter i molnkanten ("powered devices" eller drivna enheter) - 71,3 W, och samtidigt leverera 90 W från strömmatningsutrustningen.

För det andra stödjer den upp till 10 Gb/sek i överföringshastighet på nätverksenheter över en Cat5e-kabel.

Dessa två förbättringar i effektmatning och signalhastighet gör det möjligt att driva otaliga nya effekthungriga och snabba IoT-enheter - och i synnerhet IIoT-enheter (Industriellt IoT) - med PoE-teknik. Följande är några exempel på dessa nya tillämpningar:

• Professionellt ljud
• Digital skyltning
• Småcelliga 5G-radioenheter (mobil infrastruktur: 3G-, 4G-, 5G-teknik)
• 802.11ac trådlösa åtkomstpunkter (WAPs)
• Trådlösa lokala nät (WLAN) med hög kapacitet
• Industriell tillträdeskontroll
• Belysning
• Smarta hem
• Byggnads-/fabriksautomation
• Terminaler på försäljningsställen (POS)
• Informationsterminaler
• Utomhus-IP-kameror med värmare
• Monitorer/bärbara datorer
• Digital takbelysningen

Nya funktioner i IEEE 802.3bt

Den nya PoE IEEE 802.3bt-standarden definierar flera nya funktioner och förbättringar i jämförelse med den äldre 802.3at-standarden, som resulterar i effektbesparingar och ökad effektivitet; den möjliggör på så vis att fler molnkantsenheter använder PoE-teknik.

I princip består en IoT-plattform av fyra byggblock:

• Avkänning/övervakning
• Processning (microcontroller)
• Konnektivitet (trådlös eller ledningsbunden)
• Strömhantering

De nya funktionerna/förbättringarna av IEEE 802.3bt-standarden är till fördel för strömhanteringsblocket inom IoT enligt ovan. Fyra av dessa nya funktioner/förbättringar inkluderar s.k. short maintain power signature (MPS), autoclass, enkel/dubbel signatur på och ökad effekt till den drivna enheten, vilket behandlas vidare nedan.

Short Maintain Power Signature (MPS) - MPS är den minsta strömförbrukningen hos en driven enhet som håller enheten "levande" och inte kopplas från av strömmatningen. Strömmatningsutrustningen måste koppla från strömmen när MPS:en är frånvarande i minst 400 ms, vilket säkerställer att frånkopplade kablar inte förblir strömsatta.

Dessutom har nästan alla drivna enheter i IoT-tillämpningar ett strömspar- eller sleep-läge. Sådana drivna enheter måste dra en högre ström för att förbli strömsatta, vilket undergräver idén om att ha ett strömsnålt standbyläge. Short MPS hanterar detta problem genom att reducera driftcykeln och längden på effektsignaturen som måste genereras för att behålla en strömanslutning. Denna modifiering förbättrar den minsta standbyeffekten med en faktor 10, vilket gör det möjligt för IoT-molnkantsenheter att drivas med PoE och ha en godtagbar standby-effekt.

I IoT-tillämpningar där ett stort antal enheter använder PoE, såsom exempelvis LED-belysning, är det helt avgörande att reducera standby-effekten.

Autoclass – Autoclass gör det möjligt att bättre optimera allokeringen av strömmatningens effektbudget till den drivna enheten. I allt väsentligt “mäter” strömmatningsutrustningen Ethernet-kabelns förluster och strömförbrukningen för anslutna drivna enheter under en definierad period och den “vet” hur den ska tillhandahålla den “verkliga” effekten till denna enhet, snarare än en högre “tilldelad” effekt som definieras av PD-klassen. Detta gör det möjligt för en och samma strömmatningsutrustning att driva fler enheter och därigenom fler IoT-molnkantsenheter.

Enkel/dubbel-signatur på den drivna enheten – IEEE 802.3bt-standarden stödjer två konstruktioner för drivna enheter: med enkelsignatur och dubbelsignatur. Strömmatningsutrustningen måste stödja både enkelsignerade och dubbelsignerade drivna enheter.

Dubbelsignerade enheter möjliggör tillämpningar som kräver upp till samma maximala effektnivå som enkelsignerade enheter och erbjuder den ytterligare flexibiliteten som kommer med olika och isolerade lastkonfigurationer. Ett exempel på detta kan vara en övervakningskamera utomhus som behöver drivas tillsammans med en värmare eller kylfläkt för att hantera extrema temperaturtillstånden. Ett annat exempel kan vara IIoT-tillämpningar med redundanta kretsar för tillförlitlighet och säkerhet som är strömsatta omväxlande men inte samtidigt.

Figur 1 visar dubbelt och enkelt signaturkoncept.

Figur 1: Enkelt/dubbelt signaturkoncept (bildkälla: Microchip)

Mer teknisk information om IEEE 802.3bt-drivna enheter med dubbelsignatur finns på Ethernet Alliances (EA) webbplats.

Högre effekt till drivna enheter – IEEE 802.3bt-standarden definierar en maximal effekt på 90 W som en strömmatningsutrustning kan avge och 71,3 W som en driven enhet kan ta emot. Detta effekttapp från strömmatningen till den drivna enheten tar hänsyn till den maximala förlusten på 19 W längs hela kabellängden på maximalt 100 meter som definieras av Ethernet-standarden. Med den nya IEEE 802.3bt-standarden, kan enheten mäta kabelresistansen, beräkna effekten som kommer att förloras i kabeln och ge hög nog effekt för att kompensera för den maximala “spilleffekten” på 19 W som försvinner i 100-meterskabeln. Om avståndet från den drivna enheten till strömmatningsutrustningen är mindre än 100 meter, kan mer än 71,3 W matas till enheten. Om kabellängden exempelvis är i intervallet 2–5 meter, kan effekten som enheten tar emot från strömmatningen komma nära de 90 W som matningsutrustningen levererar.

Förbättrad strömverkningsgrad med IEEE 802.3bt

Även om det inte är definierat explicit i 802.3bt-standarden, men närliggande ratificeringskriterierna och i en anda av strömeffektivitet och kraven på IoT-tillämpningen, har flera ledande PoE-kretsleverantörer förbättrat konstruktionen av sitt chip för att uppnå högre strömverkningsgrad.

Figur 2: PoE-blocktopologi (bildkällor: Microchip)

Innan vi tittar på figur 2, måste funktionaliteten hos både strömmatningsutrustningen och den drivna enheten definieras.

För strömmatningsutrustningen kan funktionalitetskraven sammanfattas enligt följande:

• Detektera en giltig driven enhet
• Klassificera strömkarakteristiken för den drivna enheten
• Mata 4 - 90 W effekt vid 44 - 57 volt till den drivna enheten.
• Genomföra effektoptimering och -allokering
• Genomföra felövervakning och frånkoppling vid behov
• Stänga av effekten till respektive port om ett underströmstillstånd detekteras
• Tillhandahålla överspänningsskydd
• Tillhandahålla isolation från omkopplingskretsar

På liknande vis är en översikt av funktionaliteten för en driven enhet enligt följande:

• Tillhandahålla polaritetsskydd
• Tillhandahålla signaturer för detektering och rätt klassificering
• Utföra effektoptimering
• Tillhandahålla isolation
• Som tillval erbjuda en valbar förspänning för DC/DC-uppstart
• Konvertera 57 V ned till önskad reglerad matningsspänning som används av tillämpningen

Såsom kan ses i figur 2, skickas effekten från PSE:n genom Ethernet-kabeln till den drivna enheten. Den drivna enhetens diodbryggkrets likriktar sedan kabelspänningen. I 2-pariga PoE-system, kan spänningen levereras över endera dataparen eller reservparen, men inte båda. I 4-pariga PoE-system som definieras av IEEE 802.3bt, är alla par drivna.

Därför krävs två bryggor inuti PD:n (figur 3).

Figur 3: Två bryggor inuti den drivna enheten (Bildkällor: Analog Devices/Linear Tech)

Den konventionella lösningen med diodbrygga har flera nackdelar:

• Hög effektförlust orsakad av kabelspänningsfallet
• Hög värmeavledning
• Kräver ytterligare termisk konstruktionshänsyn

Till följd av de ovanstående nackdelarna, är användning av traditionella diodbryggor i många IoT-tillämpningar mycket problematiskt eller t.o.m. omöjligt.

En effektivare lösning än diodbryggan är den så kallade IdealBridge^™, först introducerad av Microsemi (nu Microchip). Denna lösning är en N-kanalig MOSFET-baserad brygga med en regulator.

Skillnaden mellan en dubbel konventionell diodbrygga och en IdealBridge visas i figur 4.

Figur 4: Dubbel konventionell diodbrygga gentemot en IdealBridge™ (Bildkälla: Microchip)

Fördelarna med IdealBridge inkluderar:

• Den helt integrerade lösningen antalet komponenter, sparar utrymme på kretskortet och förenklar implementeringen
• Självdrivande kretsar för MOSFET:ar
• Låg R_DS(ON), låg strömförbrukning
• Effektivitetsmaximering – levererar högre uteffekt och utspänning
• Dramatiskt minskad värmeavledning, vilket eliminerar termiska konstruktionsproblem och behovet av kylkroppar
• Fungerar med 2-pariga och 4-pariga PoE-tillämpningar
• Kompatibel med IEEE 802.3xx-standarder

Microsemi/Microchip introducerade den första “IdealBridge™”-lösningen med PD70224. Andra liknande lösningar från andra leverantörer är Analog Devices/Linear Techs LT4321, ON Semiconductors 1-kanaliga idealiska diod FDMQ8205A (inte en brygga) och STMicroelectronics integrerade lösning PM8805 (IdealBridge integrerat i ett PD IC-chip).

Slutsatser

Den senaste IEEE 802.3bt-standarden tillför nya funktioner till PoE-tekniken och förbättrar de redan befintliga. Dessa funktioner vidgar utbudet av molnkantsenheter som kan anslutas med hjälp av PoE-konceptet och stödjer på så vis många nya IoT-tillämpningar.

För att stödja andra infrastrukturer än PoE, finns det olika övergångslösningar, såsom midspans/injektorer och effektdelare. Dock är det viktigt att tänka på att IEEE 802.3bt är en tämligen ny standard och många leverantörer har erbjudit produkter inom detta område innan standarden ratificerades i slutet av 2018. För att dra nytta av fördelarna med IEEE 802.3bt:s nya funktioner och behålla interoperabiliteten mellan leverantörer, måste komponenter och produkter vara kvalificerade för denna IEEE 802.3bt-standard, vilket ska anges explicit i databladen.