PoE+ czyli Power over Ethernet po tuningu

Rys. 1. Dwie opcje zasilania przez sieć Ethernet: (a) za pomocą dwóch par przewodów transmitujących dane (1/2 i 3/6) oraz (b) za pomocą dwóch nieużywanych par przewodów (4/5 i 7/8)

Specyfikacja PoE określa zasady przesyłania sygnału zasilającego i danych pojedynczym kablem łączącym urządzenia sieciowe. Możliwe są tu dwa rozwiązania (rys. 1). W pierwszym z nich energia jest dostarczana za pośrednictwem dwóch par przewodów kabla sieciowego, służących równocześnie do transmisji danych (1/2 i 3/6).

W drugim przypadku wykorzystywane są dwie wolne pary przewodów (4/5 i 7/8). Napięcie zasilania wytwarzają specjalnie zaprojektowane urządzenia sieciowe, np. przełączniki, określane w normie jako PSE (Power Sourcing Equipment). Urządzenia zasilane, czyli tzw. PD (Powered Device), nie muszą dzięki temu korzystać z dodatkowego przewodu zasilającego.

Upraszcza to okablowanie sieci i zmniejsza koszty jej budowy oraz eksploatacji. Ponadto, pozwala monitorować zużycie energii w poszczególnych węzłach oraz w razie potrzeby zdalnie restartować lub wyłączać poszczególne urządzenia. Praktycznie w momencie wprowadzenia standardu IEEE 802.3af stało się jasne, że przewidziane poziomy mocy nie będą w stanie zaspokoić potrzeb coraz bardziej rozbudowanych urządzeń sieciowych.

Maksymalna moc na wyjściu zasilacza PoE wynosi około 13W, co wystarcza do zasilania np. telefonu IP, jednak jest zbyt małą wartością w przypadku obrotowych kamer czy wideotelefonów i innych urządzeń korzystających z kolorowych wyświetlaczy. Ponieważ okablowanie sieciowe dopuszcza przepływ większych prądów niż te, które przewidziano w specyfikacji PoE, pojawiało się coraz więcej głosów domagających się modyfikacji standardu. Dlatego też rok po wprowadzeniu PoE rozpoczęto prace nad jego nową wersją, oznaczoną symbolem IEEE 802.3at (PoE+).

Zmiany

Rys. 2. Wyznaczone przez TIA profile zmian temperatury w zależności od natężenia prądu dla wiązek złożonych ze 100 kabli kategorii 5e, 6 i 6A

Przesyłanie większych mocy w PoE+ wymagało m.in. ograniczenia strat na rezystancji przewodów. W tym celu zaczęto wykorzystywać okablowanie sieciowe wyższych kategorii: 5e, 6 lub 6A. Większą moc w PoE+ uzyskano jednak przede wszystkim, modyfikując przedziały napięcia i prądu. Dolny zakres napięcia na wyjściu urządzeń PSE zwiększono z 44V do 50V przy zachowaniu tego samego napięcia górnego, wynoszącego 57V.

Dopuszczalne natężenie prądu zwiększono z 350mA obowiązujących w standardzie 802.3af do 600mA. Pozwoliło to na niemal dwukrotnie zwiększenie mocy dostępnej na wejściu urządzenia PD w stosunku do standardu PoE. Zgodnie z IEEE 802.3af maksymalna moc na wyjściu urządzenia PSE wynosi 15,4W.

Biorąc pod uwagę rezystancję kabla sieciowego (20Ω na długości 100m dla kabla kat. 3), jakość wykonania połączenia i inne czynniki, przyjęto, że odbiornik może pobierać maksymalnie 12,95W. Z kolei w IEEE 802.3at moc wyjściowa zasilacza PSE powinna wynosić przynajmniej 30W. Uwzględniając straty na rezystancji kabla sieciowego, możliwa do uzyskania moc na wejściu odbiornika wynosi 25,5W.

Wątpliwości i konsultacje

Rys. 3. Wykorzystanie tzw. zasilaczy midspan jest jednym z najbardziej opłacalnych sposobów na wprowadzenie zasilania PoE w już istniejącej sieci bez większej ingerencji w dotychczasową infrastrukturę

Podjęcie ostatecznych decyzji o zmianie poziomów sygnałów elektrycznych w PoE+ poprzedziły liczne kontrowersje. Obawiano się m.in. nadmiernego nagrzewania przewodów, co mogłoby nie tylko zagrażać bezpieczeństwu użytkowania, ale też zwiększać tłumienie sygnałów. Kwestie te komitet IEEE rozstrzygnął na etapie prac nad PoE+, konsultując się z TIA (Telecommunications Industry Association) oraz ISO.

Organizacje te zostały poproszone o wydanie opinii o dopuszczalnej obciążalności prądowej skrętek różnych kategorii. W tym celu TIA we współpracy z ISO przygotowała profile temperaturowe dla kabli 5e, 6 i 6A uwzględniające natężenie przepływającego prądu (rys. 2). Przeprowadzone testy pozwoliły określić warunki pracy okablowania PoE+ zapewniające odpowiedni margines bezpieczeństwa i wymaganą jakość transmisji.

TIA rekomendowała, by dopuszczalny wzrost temperatury w otoczeniu okablowania PoE+ wynosił najwyżej 10°C, a maksymalna temperatura pracy +60°C. Opierając się na tym zaleceniu, IEEE zdecydowało o ograniczeniu górnej granicy temperatury pracy kabli PoE+ do +50°C. Określono maksymalne bezpieczne natężenie prądu, które nie powodowałoby wzrostu temperatury przewodów o więcej niż 10°C.

Jako punkt odniesienia przyjęto charakterystykę obciążalności prądowej dla kabli kategorii 5e, ze względu na najgorsze właściwości termiczne spośród wszystkich testowanych przewodów. Ostatecznie przyjęto, że maksymalne natężenie prądu w PoE+ będzie wynosiło 600mA, ponieważ prąd o takim natężeniu według badań TIA powoduje wzrost temperatury kabli 5e jedynie o 7,2°C. Zapewnia to margines bezpieczeństwa, który należy uwzględnić w związku z nieprzewidywalnością warunków otoczenia, w jakich dana sieć może pracować.

Procedury testowania połączenia i klasyfikacji

Rys. 4. Kontroler PoE MAX5941B firmy Maxim w połączeniu z dodatkowymi komponentami w odbiorniku

Zasilanie urządzeń przez sieć Ethernet nie byłoby możliwe bez dwóch procedur implementowanych w urządzeniach PoE: testowania połączenia oraz klasyfikacji. Pierwsza z nich pozwala uniknąć uszkodzeń wynikających z podłączenia zasilania przez kabel ethernetowy do urządzeń niekompatybilnych z PoE.

Druga jest wykorzystywana do określenia mocy wymaganej do zasilania konkretnego odbiornika. W przypadku PoE+ konieczne było uwzględnienie kompatybilności „wstecz” z dotychczasowym sprzętem zgodnym ze standardem 802.3af. Zdefiniowano dwa typy urządzeń sieciowych: urządzenia typu 1, zgodne ze standardem IEEE 802.3af i urządzenia typu 2, zgodne ze standardem IEEE 802.3at.

Przeprowadzono analizy różnych konfiguracji, np. współpracy urządzenia PSE PoE+ z odbiornikiem standardu 802.3at i 802.3af oraz możliwości zasilania urządzenia PD PoE z urządzeń PSE 802.3at. Oprócz wcześniej wykorzystywanych metod implementowanych w warstwie fizycznej PoE i dodatkowej rozbudowy tych procedur, wprowadzono też w standardzie PoE+ specjalne rozwiązania na poziomie warstwy łącza.

Klasyfikacja w PoE+

W specyfikacji 802.3at obowiązuje mechanizm sprzętowej klasyfikacji, tzw. dwuzdarzeniowej. Polega ona na tym, że PSE dwukrotnie powtarza próbę napięciową analogiczną do tej, jaką przewidziano w PoE. Jeżeli PD wykryje napięcie z zakresu od 15,5 do 20,5V, podłącza obciążenie o odpowiedniej wartości i odpowiada zasilaczowi impulsem prądowym pozwalającym zakwalifikować odbiornik do jednej z czterech klas mocy. Podwójny impuls napięciowy przesyłany przez PSE jest dla odbiornika informacją, że zasilacz jest zgodny z nowym standardem i może zapewnić wyższy poziom mocy.

Jeżeli z kolei odpowiedź prądowa odbiornika jest impulsem o wartości 40mA, dla zasilacza jest to informacja, że dany PD należy do klasy 4, czyli pracuje zgodnie z 802.3at i do jego zasilania należy wykorzystać maksymalną moc wyjściową. Klasyfikacja w warstwie fizycznej była również implementowana w 802.3af, jednak traktowano ją jako funkcję opcjonalną, pozwalającą jedynie określić moc wymaganą do zasilania PD. Zgodnie z PoE+ procedura klasyfikacji (co najmniej jednozdarzeniowej) jest w przypadku PSE obowiązkowa.

LLDP

Rys. 5. Przykład realizacji zasilacza i odbiornika zgodnych z 802.3at z wykorzystaniem układów Linear Technology: poczwórnego sterownika PSE PoE+ LTC4266 oraz sterownika PD PoE+ LTC4269

Oprócz klasyfikacji w warstwie fizycznej, w PoE+ zdefiniowano też nową metodę, realizowaną w trakcie komunikacji między PSE i odbiornikiem za pośrednictwem protokołu LLDP (Link Layer Discovery Protocol). Po nawiązaniu połączenia między PSE i PD zasilacz monitoruje rzeczywiste zapotrzebowanie energetyczne odbiornika.

Pozwala to na dynamiczną regulację przydziału mocy przez urządzenie PSE z krokiem co 0,1W na podstawie informacji otrzymywanych z odbiornika, np. o zmniejszeniu zapotrzebowania na moc lub całkowitej rezygnacji z zasilania. W przypadku, gdy PSE typu 2 realizuje jedynie jednozdarzeniową klasyfikację, PD może „negocjować” uzyskanie wyższej mocy za pośrednictwem LLDP.

Komunikacja realizowana w ten sposób pozwala na implementację dodatkowych funkcji, np. pozyskiwania przez zasilacz szczegółowych informacji o odbiorniku (moc szczytowa, moc średnia, cykl pracy itp.). Obecnie wykorzystanie LLDP jest obowiązkowe tylko dla określonego typu zasilaczy, które ogólnie dzieli się na tzw. midspan i endspan.

Urządzenia typu midspan są instalowane między przełącznikiem sieci LAN i odbiornikami, a informacje przesyłane za pośrednictwem PSE tego rodzaju nie są w nich modyfikowane. Takie rozwiązanie jest szczególnie zalecane w przypadku, gdy istniejącą infrastrukturę sieciową chcemy zmodernizować do standardu PoE+ (rys. 3).

Z kolei PSE typu endspan to przełączniki z już wbudowaną możliwością obsługi PoE+, instalowane w sieciach budowanych od podstaw. W PSE typu midspan wykorzystuje się głównie dwuzdarzeniową klasyfikację PoE+. W związku z tym, że do negocjacji za pośrednictwem protokołu LLDP potrzebne jest nawiązanie komunikacji między PSE i PD, w zasilaczach endspan można wykorzystać także tę dodatkową metodę klasyfikacji.

Pre-PoE+

O zapotrzebowaniu rynku na produkty pozwalające na zasilanie urządzeń przez Ethernet większą mocą świadczy fakt, że niektórzy producenci jeszcze przed ukończeniem prac nad standardem PoE+ oferowali rozwiązania w tym zakresie, opierając się na wstępnych projektach. Przykładem jest firma Maxim, która do realizacji tzw. odbiornika PD pre-PoE+ proponowała wykorzystanie kontrolera PoE o symbolu MAX5941B wraz z dodatkowymi komponentami.

Rys. 6. W odbiorniku PoE+ z LTC4265 to zewnętrzne źródło zasilania jest źródłem dominującym

Na rys. 4 przedstawiono schemat odbiornika 30W bazującego na tym układzie. Dodatkowe elementy to rezystor R8 (178Ω), służący do sygnalizacji przynależności odbiornika do 4 klasy według klasyfikacji 802.3at oraz tranzystor MOSFET N10 dołączony do bramki wewnętrznego tranzystora, który izoluje odbiornik na etapie detekcji i klasyfikacji.

N10 jest tak dobrany, aby dopuszczał zasilanie odbiornika większą mocą (w tym przypadku do 30W). Obecnie na rynku można też znaleźć kontrolery kompleksowo projektowane do zastosowań w urządzeniach PoE+. Komponenty do zasilaczy i odbiorników PoE+ znajdują się w ofercie takich firm, jak m.in. Maxim, Linear Technology (rys. 5) i Texas Instruments.

Zasilanie pomocnicze

Projektując odbiorniki i zasilacze PoE+, należy uwzględnić specyfikę 802.3at i wszystkie nowe mechanizmy przewidziane w tej normie. Ważną kwestią jest sprawność i właściwości termiczne komponentów wykorzystywanych do budowy urządzeń PSE i PD. Czasem niezbędna jest możliwość korzystania z zasilania pomocniczego, w związku z czym potrzebne są specjalne rozwiązania w kontrolerach PD, które pozwolą na płynne przejście odbiornika między jednym i drugim trybem zasilania.

Na rys. 6 przedstawiono jedno z częściej spotykanych rozwiązań, na przykładzie układu ze sterownikiem LTC4265 802.3at firmy Linear Technology. W tej konfiguracji na podstawowe źródło mocy wybrano zewnętrzny zasilacz, dostarczający energię nawet wtedy, gdy zasilanie z sieci LAN jest dostępne. W takim przypadku odbiornik nie pobiera prądu z zasilacza PSE PoE+, który wkrótce po otrzymaniu informacji o tym odłącza zasilanie PD.

Z drugiej strony komponenty wokół pinu SHDN (shutdown) są tak dobrane, że LTC4265 automatycznie odłącza zewnętrzne zasilanie, gdy napięcie spadnie poniżej ustalonego poziomu (w tym wypadku 36V). W przeciwieństwie do sytuacji odwrotnej nie jest to jednak całkowicie płynne przejście do zasilania z kabla sieciowego, ponieważ PSE musi najpierw ponownie przetestować odbiornik, zanim doprowadzi do niego niezbędną moc.

Podsumowanie

Zwiększenie poziomu mocy dostępnej w standardzie PoE+ z pewnością przyczyni się do wzrostu popularności zasilania urządzeń przez sieć Ethernet. Mimo sceptycznego nastawienia użytkowników prywatnych do tej metody, już wkrótce ma ona szanse zyskać na popularności. Im więcej urządzeń będzie kompatybilnych z nowym standardem (być może nawet laptopów), tym więcej osób zacznie doceniać zalety takiego rozwiązania. Ważnym atutem PoE+ są m.in. takie praktyczne aspekty, jak standaryzacja kabli sieciowych używanych na całym świecie. Być może w przyszłości nie będzie już konieczności wożenia w walizce dodatkowych przejściówek zasilania.

Monika Jaworowska