Ström via ett kabelpar över Ethernet öppnar nya tillämpningsmöjligheter

Power over Ethernet (PoE) har varit tillgängligt i många år för att leverera ström via Ethernet-kablar, men dess popularitet har begränsats av en avståndsbegränsning på 100 meter eller mindre. Nu har det skett en förändring med single-pair power over Ethernet (SPoE), en IEEE-standardiserad teknik som gör det möjligt att överföra ström och data över långa avstånd med hjälp av ett partvinnat kabelpar i en Ethernet-kabel, vilket öppnar nya möjligheter för innovativa tillämpningar.

Ethernet är väletablerat och används ofta för datakommunikation mellan enheter och använder fyra partvinnade koppartrådar för att transportera datasignaler, där varje par transporterar en riktning av dataflödet. Enheter som använder Ethernet kräver i allmänhet också en separat strömförsörjning, vilket ökar kostnaderna för kabeldragning och installation.

Power over Ethernet (PoE) utvecklades som en utökning av Ethernet-standarden och gör det möjligt för enheter att ta emot både data och ström via samma kabel genom att använda två par för att transportera data och de andra två för att strömförsörja enheter.

PoE kan leverera upp till 90 W effekt på ett maximalt avstånd av upp till 100 m. Det har gett upphov till PoE-tillämpningar som IP-kameror, trådlösa åtkomstpunkter, VoIP-telefoner och smarta belysningssystem som kan installeras och strömförsörjas via en enda kabel. Förutom avståndsbegränsningen finns det dock andra PoE-utmaningar, som t.ex. behovet av skrymmande och dyra kontakter och kablar som klarar höga strömmar och spänningar, effektförluster och värmeavledning.

Introduktion av SPoE

Genom att använda endast ett par för att transportera både data och ström kan SPoE uppnå datahastigheter på upp till 1 Gbit/s och ge upp till 52 W effekt i kabellängder på upp till 1 km (figur 1), med hjälp av mindre och kostnadseffektiva kontakter och kablar som är kompatibla med befintliga RJ45-uttag.

Figur 1: Diagram över SPoE-system för överföring av upp till 52 W effekt (Bildkälla: Analog Devices)

Med lägre kostnader och enklare implementering är SPoE väl lämpat för en stor mängd tillämpningar inom industri, fordon, fastighetsautomation och IoT-miljöer, där installation av nya kablar eller att enbart förlita sig på trådlös LAN, är både praktiskt, kostnadsdrivande eller både och. Den tillhandahåller omfattande systemtelemetri för övervakning av energiöverföringsstatus, feldetektering och överspänningsskydd.

I en industriell miljö kan SPoE driva givare och styrenheter på långa avstånd utan att behöva lägga till lokala strömkällor, vilket förenklar nätverksinfrastrukturen, minskar installationskostnaderna och tillhandahåller central strömhantering. Den kan användas för att leverera ström via befintliga Ethernet-kablar, vilket gör det till en snabb och relativt enkel process att lägga till SPoE-switchar och slutpunkter.

SPoE är en del av standarden IEEE 802.3 - IEEE 802.3 cg för 10 Mbit/s Ethernet över ett partvinnat kabelpar (10Base-T1L) - och utgör en utökning av standarden IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). PoDL används i system upp till 40 m och med 12, 24 eller 48 V; SPoE arbetar med en spänning på 24 eller 55 V upp till 1000 m.

SPoE är perfekt i tillämpningar som kräver låg till medelhög effekt, och höga datahastigheter över långa avstånd, vilket inte är möjligt eller ekonomiskt försvarbart med PoE.

Potentiella tillämpningar för SPoE inkluderar:

• Drifttekniska system där tillförlitlig kommunikation och strömförsörjning är avgörande för processtyrning och automation
• Automationssystem för byggnader och fabriker för övervakning av styrning av miljö- och maskinparametrar
• Fältutrustning, som t.ex. givare och ställdon, som kan användas med större flexibilitet och till lägre kostnad
• Säkerhetssystem, t.ex. för passerkontroll och övervakning, där SPoE är lättare att skala upp
• Trafikledningssystem som kräver konstant drift och uppkoppling
• Strömförsörjning och hantering av IoT-enheter i molnkanten
• Fjärrströmförsörjning för digital skyltning och utomhusbelysning

Överväganden vid SPoE konstruktion

SPoE använder tekniken "fantomström" för att överlagra strömsignalen med datasignalen i samma kabelpar, vilket kräver komplexa styrenheter i respektive ände av kabeln för att separera och reglera strömmen och datasignalerna. Tillämpningarna måste även ta hänsyn till effektförluster och värmeavledning längs kabeln, vilket kan påverka systemets prestanda och tillförlitlighet.

En styrenhet för strömkällan (PSE) tillhandahåller sofistikerad strömhantering och omvandling som garanterar att strömförsörjningen är säker, stabil och effektiv. Den arbetar i kombination med PD-styrenheter (Powered Device) som tar emot energi via en tvåledarkabel.

Styrenheter för strömkällan utformade för flera kanaler kan strömförsörja olika fjärrenheter, t.ex. sensorer. LTC4296-1 (bild 2) från Analog Devices, Inc. (ADI) är t.ex. en SPoE-styrenhet med 5 portar som kan förse upp till fem belastningar med energi via fem matningar, var och en upp till 1000 m lång. Den levererar ström med hjälp av externa, MOSFET:ar med N-kanal (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) med låg resistans mellan drain och source (R _DS(ON), vilket minimerar spänningsfallet och ger en robust tillämpning.

Bild på styrenheten LTC4296-1 med fem portar för strömförsörjningsutrustning (PSE) från ADI. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 är en mångsidig SPoE- och PSE-lösning för 10BASE-T1L-styrenheter och switchar och kan enkelt integreras med transceiversortimentet 10BASE-T1L från ADI, som exempelvis enheten ADIN2111CCPZ-R7 med två portar, som innehåller en switch, två PHY-kärnor (Ethernet Physical Layer) med MAC-gränssnitt och tillhörande analoga kretsar, en krets för övervakning av spänningsmatningen och en POR-krets (Power-On Reset). Transceivern ger direkt anslutning till en mängd olika styrenheter via ett seriellt perifert gränssnitt (SPI).

I den andra änden är LTC9111RDE#PBF en av flera PD-styrenheter från ADI med en driftspänning på 2,3 till 60 V med polaritetskorrigering (fig 3). Styrenheten hanterar klassificering och övervakning av linjeöverföringen och driver två externa N-kanals MOSFET-switchar vid klassificeringen med mikroeffekt för att minimera kraven på reservkondensatorer. En extern MOSFET-switch med N-kanal isolerar utgångens kapacitans från kontakten vid klassificering och strömrusning.

Figur 3: SPoE PSE-styrenheten LTC4296-1 SPoE är lämplig för att driva upp till fem kanaler, här kopplad till PD-styrenheterna LTC9111. (Bildkälla: Analog Devices)

Styrenheterna i serien LTC9111 presenterar en giltig väckningssignatur till PSE:n för att begära ström. IEEE 802.3cg-kompatibla PSE- och PD-styrenheter utför klassificeringssteget med hjälp av Serial Communication Classification Protocol; PSE:n kontrollerar att PD:n är kompatibel och, om så är fallet, fortsätter att höja portspänningen. Om den elektriska enheten behöver en annan spänning än 24 eller 55 V används ytterligare en DC/DC-omvandlare.

ADI tillhandahåller även utvärderingssatsen EVAL-SPoE-KIT-AZ för utvärdering av data via 10BASE-T1L och SPoE-ström via en enda SPE-kabel (partvinnat Ethernet). Satsen innehåller PSE-styrenheten LTC4296-1 och LTC9111 PD för utvärdering av SPoE-ström enligt IEEE 802.3cg Klass 10 till 15 och en 10BASE-T1L-transceiver för att tillhandahålla data i systemet.

Implementering av SPoE-tillämpningar

Produktkonstruktörer måste optimera effektbudgeten och effektiviteten i sina SPoE-lösningar och ta hänsyn till parametrar som kabellängd, diameter, resistans, temperatur och miljö.

Att balansera strömförsörjningen med dataöverföringen via ett enda partvinnat kabelpar innebär utmaningar, som t.ex. att garantera tillräcklig strömförsörjning för fjärrenheter samtidigt som dataintegriteten bibehålls över potentiellt långa avstånd.

Strömförsörjning via långa kablar med en matningsspänning på 24 VDC, vilket är vanligt i många OT-driftsättningar, är föremål för betydande förluster till följd av kabelresistans. SPoE specificeras i standarden IEEE 802.3cg att fungera vid en spänning på 24 eller 55 V, så att konstruktörer kan dra nytta av ökad effektivitet i strömförsörjningen nära den maximala SELV-spänningen (Safety Extra-Low Voltage) på 60 V.

Sammanfattning

SPoE är en ny teknik som möjliggör samtidig överföring av data och ström via ett enda partvinnat kabelpar i Ethernet-kablar. Det kan minska kostnaden, komplexiteten och miljöpåverkan i nätverksinfrastrukturer, samt ge mer flexibilitet, skalbarhet och tillförlitlighet för anslutna enheter. ADI:s sortiment av IEEE 802.3cg-kompatibla PSE- och PD-styrenheter kan förenkla konstruktionen och implementeringen av SPoE-tillämpningar med hög effektivitet och lågt brus, vilket gör dem perfekta i industri-, fordons- och smarta fastighetssystem som kräver robusta och tillförlitliga anslutningar.