Pojedyncza para zasilania przez Ethernet otwiera nowe perspektywy zastosowań

Klasyczna postać Ethernetu szeroko stosowana w komunikacji danych między urządzeniami IT wykorzystuje przewód zawierający cztery pary miedzianej skrętki do przesyłania danych i każda para odpowiada za jeden kierunek transmisji. Sprzęt komunikacyjny wykorzystujący komunikację ethernetową zazwyczaj wymaga oddzielnego zasilania, co zwiększa koszty okablowania i instalacji.

Technologia Power over Ethernet (PoE) została opracowana jako rozszerzenie standardu Ethernet i umożliwia ona urządzeniom transmisję danych i dostarczanie zasilania przez ten sam kabel. Dwie pary przewodów służą do przesyłania danych, a pozostałe dwie do zasilania. PoE jest w stanie przekazać do 90 W na maksymalną odległość do 100 m.

Rozwiązanie to dało początek takim aplikacjom jak kamery IP, bezprzewodowe punkty dostępowe, telefony VoIP i inteligentne systemy oświetleniowe, które mogą się komunikować i zasilać za pomocą jednego kabla. Jednak oprócz ograniczenia odległości, z czasem standard ten okazał się coraz bardziej problematyczny, gdyż wymuszał stosowanie dużych i drogich złączy i wielożyłowych kabli, które są zdolne pracować przy dużych prądach i wysokich napięciach. Problemem w PoE są też straty mocy i związane z nim wydzielanie ciepła.

Możliwości zapewniane przez SPoE

Technologia SPoE wykorzystuje tylko jedną parę przewodów do przesyłania danych i zasilania i pozwala osiągnąć szybkość transmisji danych do 1 Gb/s oraz dostarczyć do 52 W mocy do urządzeń na długości do 1 km (rys. 1). Co więcej, wykorzystywane są tutaj mniejsze i tańsze złącza, które są kompatybilne z istniejącymi gniazdami RJ45 oraz cieńsze, a więc tańsze, przewody.

 

Rys. 1. System SPoE umożliwia przesyłanie do 52 W mocy za pomocą pojedynczej skrętki miedzianej

Dzięki obniżonym kosztom i prostszej implementacji SPoE doskonale nadaje się do szerokiej gamy aplikacji działających w środowiskach przemysłowych, motoryzacyjnych, automatyki budynkowej i IoT, w których instalowanie nowego okablowania lub poleganie wyłącznie na bezprzewodowych sieciach LAN jest niepraktyczne, nieopłacalne lub jedno i drugie. Pozwala na kompleksową budowę systemu komunikacyjnego z możliwością monitorowania stanu przesyłu energii, wykrywania błędów i ochrony przed przepięciami.

W środowisku przemysłowym SPoE może zasilać czujniki i sterować urządzeniami z dużej odległości bez konieczności użycia lokalnych źródeł zasilania, upraszczając infrastrukturę sieciową, zmniejszając koszty instalacji i zapewniając centralne zarządzanie energią. Może być używany do zasilania przez istniejące okablowanie Ethernet, dzięki czemu dodawanie kolejnych przełączników i punktów końcowych w sieci obsługującej SPoE jest szybkie i stosunkowo proste.

Specyfikacja SPoE jest częścią standardu IEEE 802.3 cg dla Ethernetu 10 Mb/s przez pojedynczą skrętkę (10Base-T1L), stanowiąc rozszerzenie standardu IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). PoDL jest używany w systemach na odległościach do 40 m i przy napięciu 12, 24 lub 48 V. SPoE działa przy napięciu 24 V lub 55 V do 1000 m.

SPoE idealne nadaje się do aplikacji, które wymagają zasilania o niskiej lub średniej mocy i jednocześnie wysokiej szybkości transmisji danych na duże odległości, co nie jest wykonalne lub ekonomiczne w przypadku PoE.

Potencjalne zastosowania SPoE obejmują:

• systemy klasy OT w automatyce, w których niezawodna komunikacja i dostarczanie energii mają kluczowe znaczenie dla sterowania procesami i maszynami,
• systemy automatyki budynkowej i przemysłowej, które służą do monitorowania i kontrolowania parametrów środowiska i urządzeń,
• aparatura polowa, taka jak czujniki i siłowniki, które można wdrażać z większą elastycznością i po niższych kosztach,
• systemy bezpieczeństwa, takie jak kontrola dostępu i monitoring, w których SPoE zapewnia lepszą skalowalność,
• zasilanie i zarządzanie urządzeniami brzegowymi w aplikacjach IoT,
• zdalne dostarczanie energii do systemów oświetlenia i digital signage.

Rozważania projektowe dla SPoE

SPoE wykorzystuje technikę "fantomowego zasilania" tj. nakładanie energii zasilającej na sygnał danych w tej samej parze przewodów, co wymaga użycia specjalnych kontrolerów na każdym końcu kabla w celu separacji zasilania i danych. W zasilanych aplikacjach konieczne jest również uwzględnienie straty mocy i rozpraszania ciepła wzdłuż kabla, co może mieć wpływ na wydajność i niezawodność systemu.

Kontroler źródła zasilania (power sourcing equipment, PSE) zapewnia konwersję napięcia oraz zarządzanie zasilaniem, w celu zapewnienia bezpiecznej, stabilnej transmisji energii. PO drugiej stronie kabla działa jego druga część – kontroler PD (powered device, PD), który odpowiada za odbieranie energii.

W wielu przypadkach sensownym rozwiązaniem jest użycie złożonych kontrolerów PSE, które są zaprojektowane do obsługi wielu kanałów i mogą zasilać różne urządzenia zdalne, takie jak czujniki. Na przykład LTC4296-1 (rys. 2) firmy Analog Devices to 5-portowy kontroler SPoE, który może zasilać energią do pięciu obciążeń przez pięć linii, każda o długości do 1000 m. Dostarcza energię za pomocą zewnętrznych tranzystorów MOSFET z kanałem N o małej rezystancji RDS( ON), które zapewniają małe spadki napięcia i większą niezawodność aplikacji.

 

Rys. 2. 5-portowy kontroler PSE LTC4296-1 firmy AD

LTC4296-1 to funkcjonalne i kompletne rozwiązanie zasilania SPoE dla switchy 10BASE-T1L, które można łatwo zintegrować z transceiverami 10BASET1L firmy ADI, takimi jak 2-portowy ADIN2111CCPZ- R7, zawierający switch, dwa PHY z interfejsem MAC i powiązanymi obwodami analogowymi, obwód monitorowania zasilania i układ resetowania po włączeniu zasilania (POR). Transceivery łączą się z kontrolerami za pomocą szeregowego interfejsu SPI.

Po drugiej stronie kabla można użyć układu LTC9111RDE. Jest on jednym z kilku kontrolerów PD firmy ADI, które obsługują zakres roboczy napięć od 2,3 V do 60 V z korekcją polaryzacji (rys. 3). Kontroler zarządza klasyfikacją i monitorowaniem zasilania, sterując dwoma zewnętrznymi przełącznikami MOSFET-N podczas klasyfikacji i obsługują tryb mikromocy aktywny w pozostałym czasie w celu zminimalizowania wymaganej pojemności kondensatora podtrzymującego zasilanie. Zewnętrzny MOSFET- N separuje pojemność wyjściową podczas procesu klasyfikacji i w czasie rozruchu.

 

Rys. 3. Kontroler LTC4296-1 SPoE PSE umożliwia sterowanie maksymalnie pięcioma kanałami, tutaj połączonymi ze sterownikami PD LTC9111

Proces negocjacji warunków zasilania wygląda następująco. Na początku kontrolery LTC9111 wybudzają PSE w celu ustalenia warunków zasilania. Za pomocą komunikacji szeregowej z użyciem protokołu IEEE 802.3cg następuje wymiana danych (klasyfikacja) i jeśli jej wynik jest pozytywny, dochodzi do zwiększania napięcia zasilania. Jeśli obsługiwane urządzenie elektryczne wymaga napięcia innego niż 24 V lub 55 V, używany jest dodatkowy konwerter DC-DC.

Dla projektantów Ethernetu jednoparowego 10BASE-T1L z SPoE ADI dostarcza zestaw ewaluacyjny EVAL-SPoE-KIT-AZ 10BASE-T1L. Zawiera on kontrolery PSE LTC4296- 1 i PD LTC9111 obsługujące klasy 10-15 IEEE 802.3cg. Jest też transceiver 10BASE-T1L do transmisji danych.

Wdrażanie aplikacji SPoE

Projektanci produktów przy szacowaniu warunków zasilania muszą brać pod uwagę takie parametry, jak długość kabla, średnica żył i ich rezystancja, temperatura i środowisko. Zbalansowanie zasilania z transmisją danych przez pojedynczą skrętkę wymusza kompromisy projektowe między dostępną maksymalną mocą dla urządzeń zdalnych przy jednoczesnym zachowaniu integralności danych na potencjalnie duże odległości.

Przy typowym napięciu 24 V dostępnym w układach automatyki przemysłowej dostarczanie dużej mocy przy długim kablu wiąże się ze znacznymi stratami z powodu rezystancji żył. Niemniej zgodnie ze standardem IEEE 802.3cg SPoE może działać przy napięciu 24 lub 55 V, dzięki czemu, gdy zapotrzebowanie na moc jest duże, projektanci mogą wykorzystać tę większą wartość i ograniczyć straty. Warto zauważyć, że mieści się ono w zakresie bezpiecznym definiowanym przez SELV (safety extra-low voltage) tj. 60 V.

Podsumowanie

SPoE to rozwijająca się technologia, która umożliwia jednoczesną transmisję danych i zasilania przez pojedynczą skrętkę ethernetową. Może to zmniejszyć koszty, złożoność i wpływ na środowisko infrastruktury sieciowej, a także zapewnić większą elastyczność, skalowalność i niezawodność podłączonych urządzeń. Portfolio kontrolerów PSE i PD zgodnych ze standardem IEEE 802.3cg firmy ADI pozwala uprościć projektowanie i wdrażanie aplikacji SPoE dzięki dużej funkcjonalności i znakomitym parametrom, a małe zakłócenia EMI predysponują te układy do użycia w systemach przemysłowych, motoryzacyjnych i inteligentnych budynków, które wymagają niezawodnej komunikacji.

Digikey
www.digikey.pl