Power-over-Ethernet (PoE) - Uusi IEEE 802.3bt -standardi tehostaa IoT-sovellusten teknologiaa

Power-over-Ethernet (PoE) -teknologiasta ja PoE-käsitteestä on kirjoitettu useita artikkeleja ja blogeja. Esimerkkinä Digi-Keyn artikkeli "Johdanto Power-over-Ethernet-teknologiaan".

Tässä artikkelissa analysoidaan ja painotetaan uusia ominaisuuksia, joita viimeisin IEEE 802.3bt -standardi lisää tämän päivän IoT (esineiden internet) -maailmaan, jossa kaikki (“esineet”) ovat yhteydessä internetiin ja joita ohjataan ja seurataan sen kautta.

IEEE 802.3bt -parannukset

Ensimmäinen ja kaikkein tärkein parannus 802.3bt-standardissa on mahdollisuus syöttää reunalaitteille (PD, Powered Device) paljon enemmän sähkötehoa, jopa 71,3 W. PSE (Power Sourcing Equipment ) -laitteet voivat syöttää jopa 90 W.

Toiseksi standardi tukee jopa 10 Gb/s:n siirtonopeutta Cat5e-kaapelilla yhdistettyjen verkkolaitteiden välillä.

Nämä kaksi parannusta sähkötehon siirrossa ja signaalinopeudessa mahdollistavat, että lukuisien uusien IoT-laitteiden ja erityisesti IIoT (Teollinen IoT) -laitteiden virransyöttöön voidaan käyttää PoE-teknologiaa. IIoT-laitteet ovat usein tehosyöppöjä ja erittäin nopeita. Seuraavassa esitetään joitain esimerkkejä näistä uusista sovelluksista:

• Ammattiäänentoisto
• Digitaaliset kyltit
• Pienet 5G-soluradioyksiköt (mobiili infrastruktuuri: 3G-, 4G- ja 5G-teknologiat)
• Langattomat 802.11ac-tukiasemat (WAP)
• Suorituskykyiset langattomat lähiverkot (WLAN)
• Teollinen kulunvalvonta
• Valaistus
• Älykoti
• Rakennus/tehdasautomaatio
• Myyntipisteiden (POS) terminaalit
• Informaatiopisteet
• Ulkokäyttöön tarkoitetut IP-kamerat lämmittimillä
• Näytöt/kannettavat
• Digitaalinen kattovalaistus.

IEEE 802.3bt -standardin uudet ominaisuudet

Uusi PoE IEEE 802.3bt -standardi määrittää useita uusia ominaisuuksia ja parannuksia vanhempaan 802.3at-standardiin verrattuna. Nämä parantavat virransäästöä ja tehokkuutta. Tämän ansiosta yhä useammat laitteet voivat käyttää PoE-teknologiaa.

IoT-alusta muodostuu periaatteessa neljästä osasta:

• Mittaus/seuranta
• Prosessointi (MCU)
• Yhteydet (langaton tai langallinen)
• Tehonhallinta.

IEEE 802.3bt -standardin uudet ominaisuudet ja parannukset kohdistuvat yllä olevan IoT-esityksen tehonhallintaosuuteen. Neljä uutta ominaisuutta/parannusta ovat: lyhyt MPS (Maintain Power Signature), autoclass, PD:n yksittäis/kaksoissigneeraus sekä PD:n laajennettu virransyöttö. Alla esitetyissä kappaleissa keskustellaan näistä lisää.

Lyhyt MPS (Maintain Power Signature) – MPS on minimi virrankulutus, joka PD:n on käytettävä, jotta PD pidetään päällä eikä sitä katkaista PSE-laitteesta. PSE-laitteen on katkaistava virta jos MPS-kulutusta ei havaita vähintään 400 ms:n aikana. Tällä varmistetaan, ettei irrotettuihin kaapeleihin syötetä virtaa.

Lisäksi lähes kaikilla IoT-sovellusten PD-laitteilla on vähävirtaiset tilat tai lepotilat. Tällaisten PD-laitteiden on käytettävä enemmän virtaa jotta virransyöttöä jatketaan. Tämä on koko vähävirtaisen valmiustilan ideaa vastaan. Lyhyt MPS vastaa tähän ongelmaan lyhentäen käyttöjaksoa ja sitä miten, pitkäksi aikaa tehosigneeraus on muodostettava virransyötön jatkamiseksi. Tämä muutos parantaa valmiustilan minimivirrankulutusta kertoimella 10 ja sen ansiosta IoT-reunalaitteille voidaan syöttää virtaa PoE:n kautta ja niiden valmiustilan virrankulutus pysyy alhaisena.

Sellaisissa IoT-sovelluksissa, joissa on suuri määrä PoE-teknologiaa käyttäviä laitteita, esimerkkinä LED-valaistus, valmiustilan virrankulutuksen rajoittaminen on välttämätöntä.

Autoclass – Autoclass-ominaisuuden ansiosta PSE-laitteen virransyöttöön voidaan tehdä varauksia PD-laitteen optimoimiseksi. Pohjimmiltaan PSE “mittaa” Ethernet-kaapelin häviöitä ja kytketyn PD-laitteen virrankulutusta tietyn aikaa ja näin “osaa” syöttää “todellisen” sähkötehon kyseiselle PD-laitteelle, sen sijaan että se käyttäisi PD-luokalle “määritettyä” korkeampaa teholuokkaa. Tämän ansiosta PSE voi syöttää virtaa useammille PD-laitteille ja näin ollen useammille IoT-reunalaitteille.

PD:n yksittäis/kaksoissigneeraus – IEEE 802.3bt -standardi tukee kahta PD-rakennetta: PD yksittäissigneerauksella ja PD kaksoissigneerauksella. PSE:n on tuettava PD-laitteita sekä yksittäis- että kaksoissigneerauksella.

Kaksoissigneerauslaitteet mahdollistavat sovellukset, jotka vaativat enimmillään saman maksimitehotason kuin laitteet yksittäissigneerauksella ja jotka tarjoavat enemmän joustavuutta erilaisilla ja erotetuilla kuormakonfiguraatioilla. Esimerkkinä voidaan käyttää ulkokäyttöön tarkoitettua valvontakameraa, jonka kameratoiminto vaatii virransyöttöä ja joka tarvitsee ajoittain lisää virtaa lämmitykseen tai jäähdytystuulettimeen äärilämpötilojen hallintaa varten. Toinen esimerkki voisi olla sellaiset IIoT-sovellukset, jotka sisältävät redundantteja piirejä, joita käytetään luotettavuus- ja turvallisuustarkoituksiin. Näitä käytetään vuorotellen, ei samaan aikaan.

Kuva 1 esittää yksittäis/kaksoissigneerauksien käsitteet.

Kuva 1: Yksittäis/kaksoissigneerauksen käsitteet (Kuvan lähde: Microchip)

Teknisemmät tiedot IEEE 802.3bt -standardin PD-laitteiden yksittäis/kaksoissigneerauksesta löytyvät Ethernet Alliance (EA) -verkkosivustosta.

PD:n laajennettu virransyöttö – IEEE 802.3bt -standardi määrittää, että PSE-laite voi lähettää enintään 90 W ja PD-laite voi ottaa vastaan enintään 71,3 W. Tämä PSE-laitteen ja PD-laitteen välinen tehohäviö ottaa huomioon enintään 19 watin häviön koko kaapelin matkalta, jonka maksimipituus on Ethernet-standardissa määritetty 100 metriä. Uuden IEEE 802.3bt -standardin mukaisesti PD voi mitata kaapelin resistanssin, laskea kaapelin tehohäviön ja syöttää riittävästi virtaa kompensoidakseen “hukatun” tehon, joka on 100 metrin kaapelissa enintään19 W. Jos PD:n ja PSE:n välinen etäisyys on alle 100 metriä, PD:lle voidaan syöttää enemmän kuin 71,3 W. Jos kaapelin pituus on esimerkiksi luokkaa 2–5 metriä, PD:n PSE-laitteelta vastaanottama sähköteho voi olla lähellä 90 wattia, jonka PSE syöttää.

IEEE 802.3bt -standardin parannukset energiatehokkuudessa

Vaikka sitä ei ole eksplisiittisesti määritetty 802.3bt-standardissa, standardin ratifioinnin aikoihin ja energiatehokkuuden hengessä sekä IoT-sovellusvaatimusten mukaisesti useat johtavat PoE-mikropiirimyyjät paransivat sirujensa energiatehokkuutta.

Kuva 2: PoE:n lohkotopologia (Kuvan lähde: Microchip)

Ennen kuvan 2 tarkastelemista tulisi määrittää sekä PSE:n että PD:n toiminnallisuus.

PSE-laitteen toiminnalliset vaatimukset voidaan lyhyesti esittää seuraavasti:

• Tunnista validi PD
• Luokittele PD-laitteen teholuokka
• Syötä PD-laitteelle 4 W – 90 W jännitteellä 44 – 57 volttia
• Suorita sähkötehon optimointi ja allokointi
• Monitoroi vikoja ja irrota laite tarvittaessa
• Katkaise virransyöttö porttiin jos kyseisen portin virrankulutuksen havaitaan laskevan raja-arvon alapuolelle
• Tarjoa ylijännitesuojaus
• Tarjoa erotus kytkinpiiristä

Vastaavasti yhteenveto PD-laitteen toiminnallisuudesta on seuraava:

• Tarjoa polariteettisuojaus
• Tarjoa signeeraukset tunnistusta ja asianmukaista luokitusta varten
• Suorita teho-optimointi
• Tarjoa erotus
• Tarjoa valinnainen bias DC/DC-käynnistystä varten
• Muunna 57 V alemmaksi sovelluksen käyttämään reguloituun käyttöjännitteeseen

Kuten kuvassa 2 voidaan nähdä, PSE-laite lähettää PD-laitteelle sähkövirtaa Ethernet-kaapelin kautta. Tämän jälkeen PD-laitteen diodisiltasiru tasasuuntaa kaapelin jännitteen. 2-parisissa PoE-järjestelmissä jännite voidaan välittää joko dataparin tai varaparin kautta, mutta ei kummankin. IEEE 802.3bt -standardissa määritetyissä 4-parisissa PoE-järjestelmissä kaikki parit välittävät virtaa.

Tästä syystä PD-laitteen sisälle tarvitaan kaksi siltaa (kuva 3).

Kuva 3: Kaksi PD-laitteen sisällä olevaa siltaa (Kuvan lähde: Analog Devices/Linear Tech)

Perinteisellä diodisiltaratkaisulla on useita haittapuolia:

• Kaapelin jännitehäviön aiheuttama korkea tehohäviö
• Korkea lämmöntuotto
• Vaatii ylimääräistä lämpösuunnittelua

Näistä haittapuolista johtuen perinteisten diodisiltojen käyttö on useissa IoT-sovelluksissa hyvin ongelmallista ellei peräti mahdotonta.

Diodisiltaa tehokkaampi vaihtoehto on niin kutsuttu IdealBridge^™, jonka julkaisi ensimmäisenä Microsemi (nykyisin Microchip). Tämä ratkaisu käyttää N-kanavan MOSFET-pohjaista siltaa ohjaimella.

Kahden perinteisen diodisillan ja yksittäisen IdealBridgen väliset erot esitetään kuvassa 4.

Kuva 4: Kaksi perinteistä diodisiltaa ja yksi IdealBridge™ (Kuvan lähde: Microchip)

IdealBridgen etuihin kuuluvat:

• Täysin integroitu ratkaisu vähentää BOM-kustannuksia. Se säästää tilaa piirilevyllä ja yksinkertaistaa toteutusta
• Itseohjaavat piirit MOSFET-transistoreille
• Alhainen R_DS(ON), alhainen virrankulutus
• Energiatehokkuuden maksimointi – tarjoaa korkeamman lähtötehon ja jännitteen
• Vähentää dramaattisesti lämmöntuotantoa ja eliminoi lämpösuunnitteluongelmat, ei tarvitse jäähdytyslevyä
• Toimii 2-paristen ja 4-paristen PoE-sovelluksien kanssa
• Yhteensopiva IEEE 802.3xx-standardien kanssa

Microsemi/Microchip esitteli ensimmäisen “IdealBridge™”-ratkaisun piirillä PD70224. Muita vastaavia ratkaisuita toisilta valmistajilta ovat Analog Devices/Linear Tech -yrityksen LT4321, ON Semiconductor -yrityksen 1-kanavainen ideaalidiodi (ei silta) FDMQ8205A sekä STMicroelectronics-yrityksen integroitu ratkaisu PM8805 (IdealBridge integroitu PD-mikropiirille).

Yhteenveto

Viimeisin IEEE 802.3bt -standardi lisää PoE-teknologiaan uusia ominaisuuksia ja parantaa entisiä. Nämä ominaisuudet laajentavat sellaisten reunalaitteiden valikoimaa, jotka voidaan yhdistää verkkoon käyttäen PoE-käsitteitä, ja näin ollen ne tukevat monia uusia IoT-sovelluksia.

Ei-PoE-infrastruktuurin tukemiseksi tarjolla on useita väliratkaisuita kuten jatkokset/injektorit sekä tehonjaottimet. On kuitenkin tärkeää huomata, että IEEE 802.3bt on varsin uusi standardi ja useat myyjät ovat tarjonneet tällaisia tuotteita jo ennen kuin standardi ratifioitiin loppuvuodesta 2018. Jotta IEEE 802.3bt-standardin uusia ominaisuuksia voidaan hyödyntää ja samalla säilyttää yhteensopivuus eri myyjien kesken, osilla ja tuotteilla on oltava IEEE 802.3bt -standardin mukainen hyväksyntä ja se tulisi eksplisiittisesti tuoda esille niiden teknisissä tiedoissa.