Power over Ethernet – czyli zasilanie urządzeń przez kabel sieciowy

| Prezentacje firmowe Zasilanie

We współczesnych systemach automatyki przemysłowej ważne parametry procesowe, takie jak temperatura, ciśnienie, przepływ, wilgotność i wiele innych, muszą być monitorowane za pomocą wielu urządzeń pomiarowo-kontrolnych. Ogromna część takiego sprzętu komunikuje się z użyciem przewodowej sieci w standardzie Ethernet, który w dobie Przemysłu 4.0 stał się najpopularniejszym medium komunikacyjnym. Ponieważ przetworniki, czujniki i elementy pomiarowe zawsze wymagają zapewnienia zasilania, pojawia się pytanie – dlaczego nie używać kabla Ethernet zarówno do transmisji danych, jak i energii?

Power over Ethernet – czyli zasilanie urządzeń przez kabel sieciowy

W artykule zaprezentowano, w jaki sposób z użyciem Ethernetu można jednocześnie przesyłać dane i zasilanie stosując technologię Power over Ethernet (PoE), która już dzisiaj jest szeroko stosowana w przemyśle i będzie odgrywać ważną rolę w przyszłości.

Standardy PoE

Zasilanie przez kabel komunikacyjny taki jak skrętka kategorii 5 (Cat 5) zostało zdefiniowane w standardzie IEEE 802.3af Power over Ethernet już wiele lat temu. Niemniej na początku dostępna moc była ograniczona jedynie do kilku watów, ale nowsze wersje zapewniają większą moc. Na przykład w PoE+ maksimum to już 25 W na jeden port, a moc dostępna w PoE++ (wykorzystującym cztery pary przewodów) sięga 70 W, a nawet 100 W. Poza tymi regulacjami opracowanymi przez IEEE, Analog Devices zdefiniował jeszcze swoje rozwiązanie własnościowe o nazwie LTPoE++, które definiuje warunki zasilania dla urządzeń w sieci (PD) o mocy do 90 W (tabela 1).

LTPoE++ charakteryzuje się mniejszą złożonością w stosunku do porównywalnych rozwiązań IEEE. Dostępna jest w nim funkcja Plug and Play, a sama implementacja jest prosta, co łącznie pozwala stworzyć bezpieczny, solidny zasilacz. Ponadto standard LTPoE++ jest interoperacyjny i wstecznie kompatybilny ze standardowymi specyfikacjami PoE zdefiniowanymi przez IEEE, co uwalnia od wielu problemów. Maksymalna dostępna moc zasilania jest tutaj także bardzo duża. Rzeczywista moc użyteczna jest nieco niższa z uwagi na straty w przewodach i konwerterach wchodzących w skład systemu.

Komponenty do realizacji PoE

Do zasilania urządzeń przez kabel ethernetowy niezbędne są dwa elementy: urządzenie, które ma być zasilane (PD, powered device) i urządzenia dostarczające niezbędnej energii (PSE, power sourcing equipment).

Zadaniem PSE jest dostarczanie energii do obciążenia tak samo, jak każdego innego zasilacza. Niemniej w tym przypadku jest ona przesyłana przewodem sieciowym do PD, który ją odbiera i dalej wykorzystuje (jako obciążenie dla PSE). Ponadto urządzenia PSE dostarczają energię po weryfikacji charakterystyki PD, która następuje podczas ich włączania. Celem jest to, aby nie wysyłać energii do niekompatybilnych urządzeń i chronić odbiorniki w sieci PoE przed przypadkowym uszkodzeniem. Jest to realizowane przez sprawdzenie sygnatury odbiornika PD (specjalnej rezystancji). PD otrzyma zasilanie tylko wtedy, gdy zmierzona wartość będzie prawidłowa (tj. 25 kΩ). Jeżeli PSE wykryje w ten sposób obecność PD, w dalszym kroku rozpoczyna klasyfikację odbiornika, czyli ustala wymagania energetyczne dla podłączonego urządzenia. W tym celu PSE do odbiornika podaje określone napięcie i mierzy prąd, jaki popłynie. Na podstawie zmierzonej wartości badany odbiornik PD jest przypisywany do stosownej klasy mocy. Następnie PSE podaje napięcie znamionowe i zezwala na pobór prądu o nominalnej wartości – tylko jeśli wszystko będzie w porządku.

 
Rys. 1. Schemat blokowy i główne elementy systemu zasilania PoE

Zasilony PD musi dokonać konwersji wartości napięcia dostępnego w systemie PoE i przesyłanego przewodami ethernetowymi (tj. 48 V) na wartość odpowiednią dla urządzeń końcowych. W typowych projektach stosowany jest w tym celu dodatkowy przetwornik DC-DC, który obniża napięcie do potrzebnej wartości (np. 12 lub 5 V). Nowsze układy scalone tego typu integrują w sobie także interfejs odpowiedzialny za negocjację warunków zasilania i konwerter w ramach jednego komponentu, co upraszcza projekt i sprzyja utrzymaniu niskiego poboru mocy.

Ponieważ PD muszą być niewrażliwe na polaryzację napięcia w przewodzie ethernetowym, co wynika ze specyfikacji IEEE 802.3 PoE, wymagane jest użycie mostków diodowych na wejściu (po jednym dla każdej skrętki). Urządzenie PD musi działać z dowolną polaryzacją, niezależnie od użytej pary przewodów, stąd prostownik jest niezbędny.

Łatwa implementacja zasilania dla PD

Z użyciem układu LT4276 firmy Analog Devices można zrealizować kontroler zasilania dla odbiornika PD zgodny z LTPoE++, PoE+ i PoE. Chip ten ma zintegrowany izolowany stabilizator impulsowy, który może pracować zarówno w topologii forward (przepustowej), jak i flyback (zaporowej), także w opcji z prostowaniem synchronicznym, zapewniając moc wyjściową od 2 do 90 W. W przeciwieństwie do konwencjonalnych kontrolerów PD, obsługujących niższe klasy mocy, a więc takich, które mają zintegrowane tranzystory mocy MOSFET, LT4276 daje też możliwość sterowania zewnętrznym MOSFET-em. Ta właściwość tworzy szansę na jeszcze większe ograniczenie strat mocy podczas konwersji zasilania z 48V na niższą wartość, bo z reguły zewnętrzne tranzystory mają lepsze parametry takie jak RDS(ON) od tych zintegrowanych w chipie.

 
Rys. 2. Przykładowe rozwiązanie zasilania PoE

Ponieważ specyfikacja IEEE 802.3 interfejsu Ethernet wymusza zapewnienie izolacji galwanicznej między obudową urządzenia a masą, warunek ten najłatwiej spełnić, sięgając po specjalizowane kontrolery PSE, takie jak LTC4290 i LTC4271. LTC4271 realizuje interfejs cyfrowy do hosta PSE po stronie nieizolowanej, podczas gdy LTC4290 realizuje interfejs Ethernetu i jest dołączony po stronie izolowanej. Oba te układy scalone są połączone za pomocą prostego nadajnika dla danych cyfrowych realizującego separację galwaniczną. Dzięki takiej konstrukcji PSE można uniknąć konieczności stosowania dodatkowego pomocniczego zasilacza izolowanego w PSE i ograniczyć koszty.

Wzrost mocy wyjściowej i jeszcze większą sprawność systemu zasilającego PoE można zapewnić, jeśli mostek prostowniczy wymagany w urządzeniu PD (z uwagi na wspomnianą dowolność polaryzacji napięcia w kablu RJ45) zostanie zastąpiony diodami idealnymi. W tym przypadku używa się zamiast diod czterech tranzystorów MOSFET, które są sterowane tak, że działają analogicznie jak typowe diody. Dzięki temu napięcie przewodzenia (typ. 0,7 V) może zostać drastycznie obniżone z powodu niskiej rezystancji kanału RDS(ON). Dzięki LT4321 – kontrolerowi takiego idealnego mostka diodowego – przy połączeniu ze sterownikiem PD LT4295 można zapewnić wysoko sprawną konwersję (patrz rys. 3).

 
Rys. 3. Klasyczny diodowy mostek prostowniczy (po lewej) kontra rozwiązanie złożone z 4 MOSFET-ów i sterownika diody idealnej LT4321

Oferta produktów Chronous

Firma Analog Devices opracowała własny standard zasilania urządzeń kablem RJ45 o nazwie LTPoE++, który jest w stanie dostarczyć do obciążenia moc do 90 W. LTPoE++ to po prostu kompleksowe rozwiązanie zasilania przez PoE o dużej mocy wyjściowej, które charakteryzuje się prostą i niezawodną realizacją.

Produkty są spójne z całą serią układów o nazwie Chronous firmy ADI zawierającą wiele innowacyjnych produktów przeznaczonych dla Ethernetu przemysłowego. Są to przełączniki (switche) ethernetowe działające w czasie rzeczywistym, układy transceivera warstwy fizycznej PHY, układy do przetwarzania protokołów, a także kompletne rozwiązania interfejsu sieciowego. Asortyment produktów Chronous został niedawno rozszerzony o dwa nowe PHY do przemysłowych kart ethernetowych: ADIN1300 (dla szybkości transferu od 10 Mb/s do 1 Gb/s) i ADIN1200 (od 10 Mb/s do 100 Mb/s). Nowe PHY razem z rozwiązaniami PoE sprawiają, że oferta ADI Chronous zapewnia najlepsze w swojej klasie rozwiązania systemowe zarówno w zakresie zasilania, jak i danych w tym obszarze.

 

Thomas Brand, Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66, www.arrow.com

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie