Napájení s vysokou účinností „Power over Ethernet“ snižuje náklady

Technologie PoE (Power over Ethernet) definovaná specifikací IEEE 802.3at představuje způsob, jak po jediném ethernetovém kabelu CAT-5 bezpečně přenášet data i napájení. Získává na oblíbenosti díky své flexibilitě, kdy lze zařízení instalovat téměř kamkoliv, v blízkosti nemusí být elektrická zásuvka a instalaci nemusí provádět kvalifikovaný elektrikář. Původní specifikace IEEE 802.3af omezovala výkon dodávaný napájenému spotřebiči (PD – Powered Device) na pouhých 13 W, což omezovalo okruh možných použití na zařízení, jako jsou IP telefony a jednoduché bezpečnostní kamery. V roce 2009 specifikace IEEE 802.3at zvýšila dostupný výkon na 25,5 W. Ani to však nestačilo k uspokojení rostoucího počtu energeticky náročných aplikací technologie PoE, jako jsou pikobuňky, bezdrátové přístupové body, vývěsní cedule z LED a vytápěné venkovní kamery s možností otáčení pohledu a změny přiblížení. V roce 2011 společnost Linear Technology vydala novou proprietární normu LTPoE++™ [1], která rozšiřuje specifikace PoE a PoE+ na 90 W dodávaného výkonu při zachování 100% slučitelnosti s normami IEEE pro PoE. K dispozici jsou čtyři úrovně výkonu (38,7 W, 52,7 W, 70 W, 90 W), což umožňuje přizpůsobit velikost napájecího zdroje požadavkům aplikace.

Obr. 1 Čipová sada LTC4290/LTC4271 zajišťuje galvanické oddělení bez optočlenů a obejde se bez samostatného izolovaného DC/DC měniče

Napáječe (PSE – Power Sourcing Equipment) v technologii LTPoE++ využívají chytrou architekturu galvanického oddělení, která minimalizuje počet součástek a umožňuje použít levnější externí komponenty. Komplexní ochrana před výbojem do kabelu a piny s maximálním přípustným napětím 80 V pak zajišťují vysokou spolehlivost v místě instalace. Díky použití externích tranzistorů FET lze sladit tepelné vlastnosti s požadavky aplikace, zlepšit účinnost systému a zvýšit dlouhodobou spolehlivost. V architektuře LTPoE++ k dodávání až 90 W po čtyřech párech kabelu CAT-5e o délce 100 m stačí jen jeden řídicí obvod napáječe a spotřebiče.

Požadavky na galvanické oddělení

Při realizaci technologie PoE je třeba pečlivě vybírat architekturu i součástky, aby cena systému byla co nejnižší, ale provozní vlastnosti a spolehlivost co nejlepší. Úspěšná konstrukce musí splňovat požadavky IEEE na galvanické oddělení, chránit tranzistory Hot Swap™ FET při zkratu a nadproudu a splňovat specifikaci IEEE i v ostatních ohledech. Specifikace PoE jasně stanoví požadavky na galvanické oddělení, aby bylo zaručeno, že budou přerušeny zemní smyčky, zachována integrita dat v síti Ethernet a minimalizován šum v obvodu napájeného spotřebiče.

Tradiční architektury napáječů izolují digitální rozhraní a napájení na rozhraní hostitele a řídicího obvodu napáječe. Prvky pro oddělení digitálních signálů, například optočleny, jsou ze své podstaty drahé a nespolehlivé. Oddělovací integrované obvody jsou drahé nebo nepodporují vysoké rychlosti komunikace po rozhraní I2C. Izolované DC/DC měniče potřebné k napájení logiky napáječe navíc zabírají místo na desce plošných spojů a zvyšují cenu systému.

Jednodušší galvanické oddělení

Čipové sady od společnosti Linear Technology pro napáječe s 12 porty (LTC4270/LTC4271) [2] nebo 8 porty (LTC4290/LTC4271) [3] využívají jiný přístup: v napáječi přesouvají všechny digitální funkce za izolační bariéru na stranu hostitele (obr. 1). Tím se významně snižuje cena a složitost potřebných komponent. Pro napájení už není nutný samostatný a izolovaný DC/DC měnič – digitální řídicí obvod LTC4271 může využít napájení logiky hostitele. Obvod LTC4271 k řízení obvodu LTC4290 nebo LTC4270 využívá komunikační schéma s transformátorovou vazbou. Jeden pár levných a široce dostupných transformátorů pro Ethernet nahradí šest optočlenů. Komunikace přes rozhraní I2C, včetně ovládání portů, resetování a rychlého vypnutí portů, je kódována pomocí protokolu, který minimalizuje vyzářenou energii a poskytuje izolační pevnost 1500 V.

Robustní ochrana před výboji do kabelu

Při využívání technologie PoE je důležité pamatovat na robustnost, zejména při vysokém počtu kabelů, vysokých napětích, vysokých proudech nebo vysokých teplotách. Společnost Linear Technology má v této oblasti velké zkušenosti a navrhla levný a promyšlený systém ochran, který lze rozšířit podle požadavků normy IEC61000 co do napětí při výboji do kabelu. K ochraně vysokonapěťového analogového napájení stačí jeden transil a na každém výstupním portu se použijí dvě levné ochranné diody (obr. 2). Diody na portech odvádějí nebezpečné špičky do napájení, kde je pohltí přepěťová ochrana a blokovací kondenzátory na VEE. Dalším přínosem přepěťové ochrany je ochrana řídicího obvodu napáječe před špičkami na napájecím napětí VEE. Řídicí obvody pro napáječe od společnosti Linear Technology také snesou na všech analogových pinech napětí až do 80 V, díky čemuž jsou před napěťovými špičkami přirozeně chráněny.

Obr. 2 Robustní ochrana před výboji do kabelu

Snížený ztrátový výkon

Čtvrtá generace řídicích obvodů pro napáječe (PSE) [4] a spotřebiče (PD) [5] od společnosti Linear Technology vedle výkonových úrovní do 90 W podle specifikace LTPoE++ také podporuje provoz plně slučitelný se specifikací IEEE 802.3at, přičemž díky použití externích tranzistorů MOSFET s nízkou hodnotou RDS(ON) a snímacích rezistorů s odporem 0,25 Ω jsou tepelné ztráty minimální. To je důležité jak v systémech s vysokým výkonem, kde návrh chlazení a výkonové ztráty mohou být velmi drahé, tak v nízkovýkonových aplikacích, kde je třeba dodávaný výkon maximalizovat, aby aplikace vystačila se svým příkonem. Řídicí obvody napáječů a spotřebičů s integrovanými tranzistory MOSFET mají vyšší hodnoty RDS(ON), v důsledku čehož je návrh chlazení složitější, protože teplo se uvolňuje uvnitř integrovaného obvodu. Poškození jednoho portu může vést ke zničení celého čipu.

Obr. 3 Řídicí obvod spotřebiče LTPoE++ používá ke zvýšení účinnosti externí MOSFET

Obvod LT4275 (obr. 3) [6] je jediný komerčně dostupný řídicí obvod pro spotřebiče, který řídí externí tranzistor MOSFET. Tím se ve spotřebiči drasticky snižují celkové tepelné ztráty a maximalizuje účinnost, což je důležité zejména při vyšších výkonech. Tento nový přístup umožňuje uživatelům vybrat velikost tranzistoru MOSFET přesně podle požadavků aplikace co do tepelných ztrát a účinnosti a případně použít tranzistory MOSFET s nízkou hodnotou RDS(ON) v řádu 30 mΩ. Obvod LT4275 podporuje všechny výkonové úrovně až do 90 W.

Jediný transil a porty s maximálním přípustným napětím 100 V na pinu představují více než dostatečnou ochranu před výboji do kabelu. Obvod LT4275 pracuje v širokém rozsahu teplot od – 40 °C do 125 °C a je vybaven ochranou před přehřátím, která jej chrání při krátkodobém přetížení. S takovou ochranou jsou výhody pro odolné aplikace zřejmé.

Jak funguje LTPoE++

Technologie LTPoE++ ke vzájemné identifikaci napáječe a spotřebiče používá klasifikační schéma se 3 událostmi, které zachovává zpětnou kompatibilitu s normou IEEE 802.3at. Napáječ LTPoE++ podle odpovědi spotřebiče na tři události v klasifikačním schématu určí, zda je spotřebič zařízením typu 1 (PoE), typu 2 (PoE+) nebo LTPoE++. Na základě výsledku klasifikačního schématu se 3 událostmi pak napáječ LTPoE++ aktualizuje prahové hodnoty ICUT a ILIM. Podle prahové hodnoty ICUT napáječ hlídá proudovou spotřebu spotřebiče. Prahová hodnota ILIM slouží jako tvrdé omezení proudu, které chrání zdroj napáječe při závažných poruchách.

Na opačné straně spotřebič LTPoE++ podle počtu přijatých klasifikačních událostí určí, zda je připojen k napáječi typu 1, typu 2 nebo LTPoE++. Pokud napáječ LTPoE++ při první klasifikační události naměří proud spotřebičem odpovídající třídě 0, 1, 2 nebo 3, bude port napájet jako zařízení typu 1. V opačném případě, pokud při první klasifikační události identifikuje třídu 4, bude napáječ LTPoE++ pokračovat druhou klasifikační událostí definovanou ve specifikaci PoE+. Tím informuje spotřebič, že je připojen k napáječi typu 2 nebo LTPoE++. Pokud druhá klasifikační událost chybí, znamená to, že spotřebič je připojen k napáječi typu 1 s příslušným omezením výkonu.

Klasifikace spotřebiče typu 2 na fyzické vrstvě je definována specifikací IEEE jako dva po sobě jdoucí výsledky třídy 4. Spotřebič LTPoE++ musí při 1. a 2. klasifikační události také reagovat dvěma po sobě jdoucími výsledky třídy 4, takže spotřebič LTPoE++ se vůči napáječi typu 2 projevuje jako spotřebič typu 2.

Napáječ LTPoE++ po platném naměření třídy 4 při první a druhé klasifikační události pokračuje třetí klasifikační událostí. Po dvou úspěšných měřeních třídy 4 se provede třetí klasifikační událost. Aby byl napájený spotřebič rozpoznán jako zařízení podporující LTPoE++, musí při třetí klasifikační události přepnout na jinou třídu než 4. Spotřebič, který při třetí klasifikační události zopakuje odpověď třídy 4, bude napáječem LTPoE++ považován za spotřebič typu 2. Norma IEEE 802.3at vyžaduje, aby slučitelné spotřebiče typu 2 opakovaly odpověď třídy 4 při všech klasifikačních událostech. Třetí klasifikační událost však informuje spotřebič LTPoE++, že je připojen k napáječi LTPoE++. Tabulka 1 ukazuje permutace událostí pro různé výkonové úrovně spotřebičů.

Řešení LTPoE++ je hned použitelné

Technologie LTPoE++ představuje bezpečné, robustní a ihned použitelné řešení, které dramaticky snižuje náročnost projektování napáječů (PSE) i spotřebičů (PD). Výhodou LTPoE++ oproti jiným topologiím pro zvýšení výkonu je, že k dodávání až 90 W po jediném kabelu CAT-5e stačí jen jeden napáječ a spotřebič, což vede k významným úsporám místa i nákladů a ke zkrácení doby vývoje. Řešení LTPoE++ významně snižuje celkové náklady nejen tím, že redukuje náklady na elektronické součástky a související komponenty, ale také tím, že jde o „end-to-end“ řešení s nejvyšší účinností, které je dnes dostupné. Maximalizuje výkon dodávaný aplikaci a minimalizuje tepelné ztráty i nákladný návrh chlazení.

Tabulka 1 Permutace událostí pro různé výkonové úrovně spotřebičů

Důležitou a význačnou vlastností technologie LTPoE++ je skutečnost, že nevyžaduje použití protokolu LLDP (Link Layer Discovery Protocol), který byl ve specifikaci IEEE PoE+ povinný pro vyjednávání o výkonu na úrovni softwaru. Protokol LLDP vyžaduje rozšíření standardních ethernetových protokolových zásobníků a může znamenat značné náklady na vývoj softwaru. Napáječe a spotřebiče LTPoE++ autonomně vyjednají výkonové požadavky a schopnosti na úrovni hardwaru a přitom zůstávají plně kompatibilní s řešeními na bázi protokolu LLDP. Konstruktéři systémů LTPoE++ tak mají na výběr, zda protokol LLDP implementují, či nikoliv. Proprietární „end-to-end“ systémy se mohou rozhodnout podporu LLDP vypustit. Díky tomu lze výsledný produkt rychleji uvést na trh a přitom dále ušetřit náklady na součástky a zredukovat velikost i složitost desky plošných spojů.

Pokročilé funkce čtvrté generace

Rodina řídicích obvodů napáječů PoE vychází z rozsáhlých odborných znalostí a zkušeností společnosti Linear Technology v oblasti napájení po Ethernetu, které prokazuje přes 200 milionů dodaných portů. Nové funkce čtvrté generace zahrnují možnost aktualizace firmwaru v místě instalace, čímž lze reagovat i na budoucí požadavky. Nové je i volitelné průměrování proudu po dobu 1 sekundy, které zjednodušuje řízení napájení na straně hostitele. Pokročilé funkce řízení napájení zahrnují přednostní rychlé vypnutí, 12bitový odečet proudu a napětí pro každý port, 8bitové programovatelné limity proudu a 7bitové programovatelné prahové úrovně proudového přetíže ní. Rozhraní I2C s pracovní frekvencí 1 MHz pak hostiteli umožňuje obvody digitálně konfigurovat nebo se dotazovat na naměřené hodnoty na portech. Jsou k dispozici i knihovny pro jazyk „C“, které snižují náklady na vývoj a zkracují dobu potřebnou pro uvedení nového produktu na trh.

Závěr

Společnost Linear Technology nabízí řadiče napáječů (PSE) s jedním, dvěma, čtyřmi nebo 12 porty a nejnižším ztrátovým výkonem na trhu, robustní ochranou před ESD a výboji do kabelu, nízkým počtem potřebných součástek a levnou konstrukcí. Ve spojení s řídicím obvodem LT4275 pro spotřebiče (PD) je kompletní „plug-n-play“ systém LTPoE++ schopen dodávat až 90 W při zachování plné kompatibility s normami PoE+ a PoE. Celé řešení používá externí tranzistory MOSFET s nízkou hodnotou RDS(ON), čímž drasticky snižuje celkové tepelné ztráty spotřebičů a maximalizuje jejich účinnost, což je důležité při všech výkonových úrovních. Vysoké maximální přípustné napětí na všech analogových pinech a cenově dostupná ochrana před výboji do kabelu pak zajišťují dobrou ochranu zařízení před nejběžnějšími napěťovými špičkami v ethernetové kabeláži. Systémy LTPoE++ zjednodušují napájení a umožňují tak systémovým návrhářům koncentrovat úsilí na samotnou aplikaci s vysokou přidanou hodnotou.