SPoE-tekniikka avaa uusia sovellusnäkymiä

Power over Ethernet (PoE) on ollut saatavilla vuosien ajan virransyöttöön Ethernet-kaapeleiden kautta, mutta sen houkuttelevuutta on vähentänyt enintään 100 metrin etäisyysrajoitus. Tähän on tulossa nyt muutos: SPoE (Single-pair Power over Ethernet) on IEEE-standardoitu tekniikka, joka mahdollistaa virran ja datan siirron pitkien etäisyyksien päähän yhdellä ainoalla Ethernet-kaapelin kierretyllä lankaparilla, mikä avaa uusia ulottuvuuksia innovatiivisille sovelluksille.

Ethernet on vakiintunut tekniikka ja sitä käytetään laajalti laitteiden väliseen tiedonsiirtoon. Se käyttää neljää kierrettyä kuparilankaparia datasignaalien kuljetukseen, ja kukin pari kuljettaa datavirtaa yhteen suuntaan. Ethernetiä käyttävät laitteet vaativat yleensä myös erillisen virtalähteen, mikä lisää johdotus- ja asennuskustannuksia.

Power over Ethernet (PoE) kehitettiin Ethernet-standardin laajennukseksi. Sen avulla laitteet voivat vastaanottaa sekä dataa että virtaa saman kaapelin kautta käyttämällä kahta johdinparia datan kuljetukseen ja kahta muuta paria laitteiden virransyöttöön.

PoE voi syöttää jopa 90 W:n tehon enintään 100 metrin etäisyydelle. Tämä on synnyttänyt sellaisia PoE-sovelluksia kuten IP-kameroita, langattomia tukiasemia, VoIP-puhelimia ja älykkäitä valaistusjärjestelmiä, jotta voidaan käyttää ja joihin voidaan syöttää virtaa yhdellä ainoalla kaapelilla. Etäisyysrajoituksen lisäksi muihin PoE-haasteisiin kuuluu kuitenkin tarve käyttää tilaa vieviä ja kalliita liittimiä ja kaapeleita, jotka mahdollistavat korkeat virrat ja jännitteet, tehohäviöt ja lämmöntuoton.

SPoE-tekniikan esittely

SPoE voi saavuttaa jopa 1 Gbit/s:n datanopeuden ja syöttää jopa 52 W:n tehon enintään 1 km:n kaapelipituuksilla (kuva 1) käyttämällä vain yhtä johdinparia sekä datan että virran kuljettamiseen. Se käyttää pienempiä ja kustannustehokkaita liittimiä ja kaapeleita, jotka ovat yhteensopivia olemassa olevien RJ45-naarasliitinten kanssa.

Kuva 1: SPoE-järjestelmä voi syöttää jopa 52 W tehoa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

SPoE soveltuu hyvin monenlaisiin teollisuus-, autoteollisuus-, rakennusautomaatio- ja IoT-ympäristösovelluksiin, joissa uusien kaapelien asentaminen tai pelkkien langattomien lähiverkkojen käyttäminen on joko epäkäytännöllistä, liian kallista tai molempia. Se tarjoaa kattavan järjestelmätelemetrian energiansiirron tilan valvontaa, vikojen tunnistusta ja ylijännitesuojausta varten.

Teollisuusympäristössä SPoE voi syöttää antureille ja ohjauslaitteille virtaa pitkien etäisyyksien päähän ilman paikallisten virtalähteiden lisäämistä, mikä yksinkertaistaa verkkoinfrastruktuuria, vähentää asennuskustannuksia ja mahdollistaa keskitetyn virranhallinnan. Sitä voidaan käyttää virransyöttöön olemassa olevan Ethernet-kaapelin kautta, jolloin SPoE-kytkimien ja -päätepisteiden lisääminen on nopea ja suhteellisen yksinkertainen prosessi.

SPoE on osa IEEE 802.3 -standardia – IEEE 802.3 cg 10 Mbit/s:n Ethernetille yhdellä kierretyllä parikaapelilla (10Base-T1L) – ja tarjoaa laajennuksen IEEE 802.3bu -standardiin PoDL (Power over Data Lines). PoDL-tekniikkaa käytetään järjestelmissä enintään 40 metrin etäisyyteen saakka ja 12, 24 tai 48 voltin jännitteellä, SPoE puolestaan toimii 24 V:n tai 55 V:n jännitteellä 1000 metrin etäisyydelle asti.

SPoE on ihanteellinen sovelluksiin, joissa tarvitaan alhaista tai keskisuurta tehoa ja korkeita tiedonsiirtonopeuksia pitkillä etäisyyksillä, mikä ei ole mahdollista tai taloudellista PoE-tekniikalla.

SPoE-tekniikan potentiaalisiin sovelluksiin kuuluvat:

• operatiiviset teknologiajärjestelmät, joissa luotettavalla tiedonsiirrolla ja virransyötöllä on kriittinen merkitys prosessinohjaukselle ja automaatiolle
• rakennusten ja tehtaiden automaatiojärjestelmät, jotka voivat valvoa ja ohjata ympäristö- ja koneparametreja
• kenttäinstrumentit, kuten anturit ja aktuaattorit, jotka voidaan ottaa käyttöön joustavammin ja edullisemmin
• turvajärjestelmät, kuten kulunvalvonta- ja valvontajärjestelmät, joissa SPoE on skaalautuvampi
• liikenteenhallintajärjestelmät, jotka vaativat johdonmukaista toimintaa ja verkkoyhteyttä
• IoT-reunalaitteiden virransyöttö ja hallinta
• digitaalisten opasteiden ja ulkovalaistuksen etävirransyöttö.

SPoE-suunnitteluun liittyviä näkökohtia

SPoE käyttää ”phantom”-virtatekniikkaa virtasignaalin lisäämiseen datasignaalin kanssa samaan johdinpariin, mikä vaatii kaapelin molemmissa päissä kompleksisia ohjaimia virta- ja datasignaalien erotukseen ja regulointiin. Sovelluksissa täytyy ottaa huomioon myös kaapelin tehohäviöt ja lämmöntuotto, mitkä voivat heikentää järjestelmän suorituskykyä ja luotettavuutta.

PSE (Power Sourcing Equipment) -ohjain tarjoaa sofistikoituneen virranhallinnan ja muunnoksen sekä varmistaa, että virransyöttö on turvallista, stabiilia ja tehokasta. Se toimii yhdessä PD (Powered Device) -ohjainten kanssa, jotka vastaanottavat energiaa 2-johdinkaapelin kautta.

Useita kanavia varten suunnitelluilla PSE-ohjaimilla voidaan syöttää virtaa erilaisille etälaitteille, kuten antureille. Esimerkiksi ADI (Analog Devices, Inc.) LTC4296-1 (kuva 2) on 5-porttinen SPoE-ohjain, joka voi syöttää energiaa jopa viidelle kuormalle viidellä enintään 1000 metrin pituisella kaapelilla. Se syöttää virtaa käyttäen ulkoisia N-kanavan MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) -transistoreja, joilla on pieni nielun ja lähteen välinen johtamisresistanssi (R_DS(ON)). Tämä minimoi jännitehäviön ja varmistaa sovelluksen kestävyyden.

Kuva 2: ADI:n 5-porttinen PSE-ohjain LTC4296-1. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 tarjoaa monipuolisen SPoE- ja PSE-ratkaisun 10BASE-T1L-ohjaimille ja -kytkimille. Se on helppo integroida ADI:n 10BASE-T1L-lähetin-vastaanotinvalikoiman komponentteihin, kuten 2-porttiseen ADIN2111CCPZ-R7-laitteeseen, joka sisältää kytkimen, kaksi Ethernetin fyysisen kerroksen (PHY) ydintä MAC-rajapinnalla ja siihen liittyvällä analogisella piirillä, jännitelähteen seurantapiirin ja nollaavan virtapiirin (POR). Lähetin-vastaanotin tarjoaa suoran yhdistettävyyden erilaisiin ohjaimiin SPI (Serial Peripheral Interface) -rajapinnan kautta.

Toiseen päähän sijoittuu LTC9111RDE#PBF, yksi ADI:n monista PD-ohjaimista, jotka tarjoavat 2,3−60 V:n toiminta-alueen napaisuuden korjauksella (kuva 3). Ohjain huolehtii kaapelin kautta tapahtuvan siirron luokittelusta ja valvonnasta ja ohjaa kahta ulkoista N-kanavan MOSFET-kytkintä luokittelun aikana mikrotason virrankulutuksella varauskondensaattorivaatimusten minimoimiseksi. Ulkoinen N-kanavan MOSFET-kytkin erottaa lähtökapasitanssin liittimestä luokittelun ja käynnistyksen aikana.

Kuva 3: LTC4296-1 SPoE PS-ohjain soveltuu jopa viiden kanavan ohjaukseen, tässä se on yhdistetty LTC9111 PD-ohjaimiin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTC9111-sarjan ohjaimet esittävät PSE-ohjaimelle validin herätyssigneerauksen virran pyytämiseksi. IEEE 802.3cg -yhteensopivat PSE- ja PD-ohjaimet suorittavat luokitteluvaiheen käyttämällä SCCP (Serial Communication Classification Protocol) -protokollaa. PSE-ohjain varmistaa, että PD-ohjain on yhteensopiva, ja jos näin on, se alkaa kasvattamaan portin jännitettä. Jos käytettävä sähkölaite tarvitsee muuta jännitettä kuin 24 V tai 55 V, käytetään ylimääräistä DC-DC-muunninta.

ADI tarjoaa myös EVAL-SPoE-KIT-AZ-evaluointisarjan 10BASE-T1L-datan ja SPoE-virransyötön evaluointiin käytettäessä yhtä kierrettyä Ethernet-parikaapelia (SPE). Sarjaan kuuluu LTC4296-1 PSE-ohjain ja LTC9111 PD-ohjain IEEE 802.3cg -luokkien 10−15 SPoE-virransyötön evaluointiin ja 10BASE-T1L-lähetin-vastaanotin järjestelmän tiedonsiirtoon.

SPoE-sovellusten toteuttaminen

Tuotesuunnittelijoiden on optimoitava SPoE-ratkaisujen tehobudjetti ja hyötysuhde sekä otettava huomioon muun muassa kaapelin pituus, halkaisija, resistanssi, lämpötila ja ympäristö.

Virransyötön ja tiedonsiirron välinen tasapainottelu yhdellä kierretyllä parikaapelilla asettaa haasteita, joihin kuuluvat riittävän virransaannin varmistaminen etälaitteille ja tietojen eheyden säilyttäminen mahdollisesti pitkilläkin etäisyyksillä.

Kun virtaa syötetään pitkillä kaapeleilla ja 24 VDC-syöttöjännitteellä, mikä on yleistä monissa OT-asennuskohteissa, kaapelin resistanssi synnyttää merkittäviä tehohäviöitä. SPoE on määritelty IEEE 802.3cg -standardissa toimimaan 24 V:n tai 55 V:n jännitteellä, joten suunnittelijat voivat hyödyntää korkeampaa virransyöttötehokkuutta lähellä SELV (Safety Extra-Low Voltage) -maksimiarvoa 60 V.

Yhteenveto

SPoE on kehittyvä tekniikka, joka mahdollistaa datan ja virran samanaikaisen siirron yhdellä kierretyllä Ethernet-parikaapelilla. Tämä voi vähentää verkkoinfrastruktuurin kustannuksia, kompleksisuutta ja ympäristövaikutuksia sekä parantaa verkkoon kytkettyjen laitteiden joustavuutta, skaalautuvuutta ja luotettavuutta. ADI:n IEEE 802.3cg -yhteensopivien PSE- ja PD-ohjainten valikoima voi yksinkertaistaa SPoE-sovellusten suunnittelua ja toteutusta korkean hyötysuhteen ja alhaisen kohinan ansiosta. Näin ne sopivat ihanteellisesti teollisuuden, autoteollisuuden ja älyrakennusten järjestelmiin, jotka edellyttävät robustia ja luotettavaa verkkoyhteyttä.