Standard Ethernet IEEE 802.3 znajduje coraz to nowe zastosowania i rynki, które daleko wykraczają poza tradycyjny dla niego obszar IT. Dzisiaj Ethernet dzięki ulepszeniom standardów takim jak TSN (time-sensitive networking), można znaleźć również w terminalach POS, kamerach monitoringu i w branży przemysłowej. Ethernet zaznacza też swoją obecność w zastosowaniach motoryzacyjnych jako szybka, niezawodna i bezpieczna sieć w pojazdach autonomicznych. Tradycyjnie większość ulepszeń specyfikacji Ethernet koncentrowało się na zwiększeniu prędkości przesyłu danych, lecz ratyfikowany w 2003 r. standard 802.3af wprowadził zasilanie przez Ethernet (ang. Power over Ethernet, PoE) – możliwość przesyłania energii elektrycznej poprzez okablowanie Ethernet.

Zalety PoE

Ponieważ Ethernet stał się interfejsem sieciowym pierwszego wyboru w licznych zastosowaniach, takich jak telefonia VoIP, kamery monitoringu czy systemy automatyzacji budynków, oszczędne i wygodne rozwiązanie polegające na przesyle energii i danych tym samym przewodem zyskało na popularności. PoE ułatwia fizyczną instalację wyposażenia infrastruktury sieciowej, takiego jak przełączniki i punkty dostępu bezprzewodowego. Odpada też konieczność przeprowadzania czasochłonnego i kosztownego procesu instalowania gniazd zasilających prądem przemiennym dla każdego elementu wyposażenia sieci. Ponadto w razie przerw w dostawie energii elektrycznej PoE może zapewnić zasilanie awaryjne kluczowych elementów infrastruktury.

Sprzęt zasilany w technologii PoE zyskuje na popularności w branżach takich jak handel detaliczny, produkcja, ochrona obiektów i kontrola dostępu. Wywiera to presję na organizacje odpowiedzialne za standardy, aby szukać sposobów zwiększenia wydajności zasilania.

Ewolucja standardów PoE

Podstawowa idea PoE zakłada wykorzystanie zasilaczy PSE (ang. power sourcing equipment) dostarczających energię do urządzeń zasilanych, inaczej odbiorników (ang. powered device, PD). Większość oferowanego dziś wyposażenia struktury sieciowej ma zdolność współpracy z urządzeniami PSE lub dysponuje taką opcją w chwili zamówienia. Końcowe urządzenie wyposażone jest we wbudowany układ pobierający potrzebną mu do działania energię ze swojego gniazda Ethernet. W przypadku istniejącej i starszej infrastruktury Ethernet, niewyposażonej w przełączniki obsługujące PoE, zasilanie punktów końcowych zapewniają iniektory zasilania PoE. Z kolei w odbiorniku stosowane są rozdzielacze PoE, służące do separacji zasilania i danych. Zapewniają także stabilne napięcie DC dla odbiornika niewyposażonego w funkcję PoE.

Pierwszy standard PoE – 802.3af wprowadzony w roku 2003 – wykorzystuje dwie z czterech par w skrętce Ethernet Cat5 (zob. rys. 1).

Rys. 1. Zasilanie przez Ethernet zgodnie ze standardem 802.3af za pomocą dwóch par przewodów skrętki

Standard uwzględnia straty w liniach przesyłowych i zakłada napięcie w punkcie odbioru w zakresie 37 – 57 V. Zdolność zasilania wynosi 12,95 W, przyjmując maks. 350 mA przy napięciu 37 V.

Rys. 2. Standardy PoE w podziale na typy i klasy

Nowe, wydajniejsze standardy PoE

W miarę zwiększania się zapotrzebowania na coraz wyższą moc zasilania wprowadzono kolejne standardy, podnoszące zdolność zasilania w przypadku urządzeń klasy 8; do 90 W. Urządzenia typu 3, klasy 5 i wyższych, korzystające ze standardu 802.3bt (nazywanego także PoE+), wykorzystują wszystkie cztery pary przewodów skrętki do przesyłu energii elektrycznej. Napięcie dostarczane przez zasilacze PSE może być różne w zależności od typu urządzenia. W przypadku urządzeń typu 4 jest to zakres od 52 V do 57 V przy maksymalnym prądzie znamionowym 960 mA.

Zasilanie PoE już od początku stało się powszechne w kamerach przemysłowych. Zdolność zasilania odbiornika mocą 13 W była wystarczająca dla większości prostych kamer. Jednakże nadejście zdalnie sterowanych kamer PTZ z własnym adresem IP zwiększyło zapotrzebowanie na energię elektryczną. Wprowadzenie standardu 802.3bt oznaczało zwiększenie liczby wykorzystywanych par przewodów skrętki z dwóch do czterech. W miarę jak rosła zdolność przesyłu energii elektrycznej przez Ethernet, szybko pojawiła się szansa poszerzenia zakresu zastosowań. Zalicza się do nich systemy automatyzacji budynków sterujące ogrzewaniem, wentylacją, oświetleniem, a także kontrolą dostępu do nowoczesnych biur. Poprzez PoE można teraz zarządzać oświetleniem LED oraz ich wyposażeniem sterującym.

Wprowadzając konfigurację wykorzystującą cztery pary przewodów skrętki, standard 802.3bt przewidział mechanizm z dwiema odrębnymi szynami prądowymi w jednym odbiorniku PD. Takie podejście pozwala na tworzenie różnych szyn napięciowych, np. zasilania +3,3 VDC i +5 VDC jednocześnie, albo +/-12 V. Te dwie metody dostarczania energii, jednosygnaturowa i dwusygnaturowa, przedstawione są na rysunku 3.

Rys. 3. Stosowanie architektury zasilania PoE jedno- i dwusygnaturowej

Certyfikacja urządzeń PoE

W miarę jak technologia znajduje zastosowanie w coraz większej liczbie urządzeń sieciowych, w szczególności tych stosowanych w sprzęcie komercyjnym i konsumenckim, konsorcjum Ethernet Alliance rozważyło wprowadzenie systemu certyfikacji PoE pozwalającego na szybką i prostą identyfikację produktów interoperacyjnych. Obecnie trwa certyfikacja zastosowań dwuparowych do klasy 4 włącznie (pod nazwą EA1), a wprowadzenie certyfikacji do klasy 8 (EA2) włącznie rozpoczęło się pod koniec roku 2020. Zgodność z formalnymi wymogami certyfikacji ma ogromny wpływ na decyzję o zakupie sprzętu w danej technologii. Można więc przypuszczać, że zgodność z programem certyfikacji PoE stanowić będzie istotny aspekt specyfikacji marketingowej każdego nowego produktu. Zespoły techniczne będą musiały zaznajomić się z wymogami certyfikacji oraz metodami testowania i zaplanować dość czasu w cyklu rozwoju produktu, aby móc osiągnąć pełną gotowość do testów. Jedyną autoryzowaną przez Ethernet Alliance w zakresie certyfikacji PoE jednostką badawczą jest University of New Hampshire.

Wdrożenie PoE do projektu

Wdrożenie PoE do zasilania urządzenia końcowego wymaga oddzielenia energii otrzymanej od PSE, funkcji sterujących Ethernet, a także przetwarzania energii. Wielu producentów łączy te funkcje w jednym układzie scalonym.

Firma Silicon Labs posiada w ofercie układ Si34071, rozwiązanie zajmujące mało miejsca dzięki minimalnej liczbie komponentów zewnętrznych. Jest w pełni zgodny z klasą 8 wg standardu 802.3bt. Układ Si34071 obejmuje wysokowydajną przetwornicę DC/DC sterowaną prądem szczytowym i umożliwia konfigurowanie częstotliwości przełączania, mieszcząc się w niskoprofilowej obudowie QFN 5 x 5 mm. Interfejs UART służy do łączenia z mikrokontrolerem hosta. Rysunek 4 przedstawia schemat blokowy Si34071, a na rysunku 5 pokazano zastosowanie Si34071 na płytce ewaluacyjnej PoE Si34071AC5V8KIT.

Rys. 4. Schemat blokowy układu PoE Si34071 firmy Silicon Labs

Rys. 5. Uproszczony schemat blokowy urządzenia zasilanego (PD) klasy 8, interfejs 71 W, wykorzystującego płytkę ewaluacyjną Silicon Labs Si34071AC5V8KIT

Zestaw ewaluacyjny Si34071AC5V8KIT zapewnia wyjście 5 V / 14 A dla urządzenia jednosygnaturowego, natomiast izolowana przetwornica przepustowa DC/DC uzyskuje sprawność przekraczającą 91%. Konstrukcja obejmuje automatyczne przełączanie klasy oraz ochronę przed stanami nieustalonymi i przeciwprzepięciową.

Dla celów projektowania urządzeń zasilających (PSE), Silicon Labs oferuje układ scalony do PSE Si3474. Może on zapewnić cztery 90-watowe porty PoE zgodne ze standardem 802.3bt lub maksymalnie osiem portów PoE o mocy 30 W, zgodnych ze standardem 802.3at/af.

Układy z oferty Microchip

Firma Microchip oferuje szeroki asortyment układów scalonych dla PSE i PD oraz zestawów deweloperskich do budowania prototypów zastosowań PoE. Oferowany przez Microchip PD69208T4 to układ scalony do zarządzania zasilaniem PoE przeznaczony do stosowania ze sterownikiem PD69210. W pełni zgodny ze standardami 802.3af, at oraz bt układ scalony PD69208T4 obsługuje do ośmiu portów, dwuparowych albo czteroparowych, spełniając wymogi urządzenia zasilanego typu 4 o maksymalnej mocy wyjściowej 95 W. Te układy scalone do urządzeń zasilających nadają się do zastosowania w przełącznikach, routerach i modułach zasilania pośredniego PoE. Dobrze sprawdzą się również w szerokim zakresie urządzeń automatyki przemysłowej i sterownikach oświetlenia LED.

Microchip posiada ponadto w swojej ofercie kompletne iniektory zasilania PoE, takie jak PD9501GCO. Ten jednoportowy moduł zasilania pośredniego jest przeznaczony do stosowania na zewnątrz i posiada stopień ochrony IP67. Idealnie nadaje się do zastosowań zewnętrznych takich jak kamery monitoringu oraz punkty dostępu sieci bezprzewodowej LAN i jest wstecznie kompatybilny ze standardami 802.3at oraz 802.3af.

Również firma STMicroelectronics oferuje szereg urządzeń PoE-PD. PM8805 to interfejs PoE PD zgodny ze standardem IEEE 802.3bt dla konstrukcji jednosygnaturowej, ze zintegrowanymi konfiguracjami podwójnego mostka aktywnego MOSFET, stosowanymi zamiast diod z uwagi na mniejsze straty napięcia przewodzenia.

Wnioski

Zasilanie przez Ethernet, choć początkowo oferowało stosunkowo niskie moce zasilania, rozwinęło się na tyle, że stało się metodą zasilania pierwszego wyboru w szeregu zastosowań takich jak kamery monitoringu i systemy automatyzacji budynków. Zwiększenie mocy zasilania do poziomu 90 W znacząco poszerzyło spektrum zastosowań zasilania PoE. Pozwoli również na szybsze wprowadzanie sieci Ethernet w jeszcze większej liczbie sektorów.