Od czasu wydania minikomputera Raspberry Pi w wersji 3 B+, płytki te są wyposażone w funkcję Power over Ethernet (PoE). Istotą tej technologii jest możliwość dostarczenia zasilania do urządzenia poprzez przewody sieci Ethernet. Pozwala to znacząco uprościć strukturę okablowania systemu, a także montaż urządzeń w miejscach, gdzie trudno doprowadzić sieć elektryczną np. w podwieszanych sufitach.

Technologia PoE opiera się o integrację sygnału zasilającego i przesyłania danych sieci Ethernet w tym samym okablowaniu. Niezbędne jest wykorzystanie w tym celu specjalnych urządzeń zasilających – nadajników, switchy lub routerów, określonych w normie jako PSE (power sourcing equipment) oraz odbiorników, tzw. PD (Powered Device). Technologia PoE umożliwia zarządzanie zasilaniem w sieci, m.in. monitorowanie zużycia mocy w odpowiednich węzłach oraz zdalne restartowanie lub wyłączanie urządzeń.

Na rynku dostępne są również tzw. iniektory PoE. Urządzenia te pozwalają na „wstrzyknięcie”, włączenie sygnału zasilania do istniejącej infrastruktury transferu danych. Taki sprzęt znacząco upraszcza implementację PoE w istniejących sieciach Ethernet.

Standardy Power over Ethernet

Pierwszym standardem technologii Power over Ethernet był wprowadzony w 2003 roku IEEE 802.3af. W tej implementacji zasilacz PSE jest w stanie dostarczać do sieci do 15,4 W mocy, ale urządzenie końcowe, ze względu na straty, może odebrać jedynie ok. 13 W. Standard dopuszcza wysyłanie napięcia z zakresu 44 – 57 V, co powinno dać minimum 37 V na urządzeniu końcowym. Sieci PoE w tym standardzie mogą pracować z okablowaniem Ethernet kategorii 3, które wykazuje maksymalną rezystancję rzędu 20 Ω.

Szybko okazało się jednak, że moc dostarczana w pierwszym standardzie jest zbyt niska do zasilania nieco bardziej zaawansowanych urządzeń, takich jak obrotowe kamery, wideotelefony oraz inne urządzenia wyposażone w kolorowy wyświetlacz. Ponadto ważną przesłanką była też możliwość przepływu przez stosowane kable większego prądu niż określono w standardzie.

W odpowiedzi opracowano nowy standard 802.3at znany jako PoE+. Zasilanie w tym standardzie pozwala dostarczyć do urządzenia moc do 25,5 W, a więc około dwukrotnie większą. Aby to osiągnąć, standard wymaga skorzystania z przewodów kategorii 5, których rezystancja wewnętrzna wynosi 12,5 Ω, co pozwala zmniejszyć straty. Jednocześnie podwyższono próg napięcia minimalnego do 50 V. Pozwoliło to w efekcie zwiększyć przepływający prąd z 350 mA do 600 mA.

Oczywiście technologia wciąż idzie do przodu i aktualnie do użytku wprowadzany jest nowy standard 4PPoE. Jego istotą jest przesyłanie zasilania za pomocą wszystkich czterech skrętek kabla Ethernet. Standard w wariancie typu 3 oferuje moc 60 W, a w typie 4  – 90 W. Pełen potencjał technologii można jednak wykorzystać jedynie wtedy, gdy wszystkie elementy infrastruktury dają taką możliwość. Między innymi do przesłania większej mocy wymagane jest użycie kabli wyższej kategorii (6, albo nawet 6A).

PoE w komputerach Raspberry Pi

Implementację technologii Power over Ethernet przeprowadzono w komputerach Raspberry Pi w sposób nietypowy, ze względu na konieczność zachowania zgodności z poprzednimi wersjami urządzeń. Od wersji 3 B+ na płytce zamontowano 4 pinowe złącze goldpin, na które wyprowadzono zasilanie uzyskiwane z portu Ethernet. Oznacza to, że aby umożliwić zasilanie komputera przez technologię PoE, należy zaopatrzyć się w nakładkę, która skonwertuje napięcie dostarczane przez skrętkę na wymagane przez Raspberry Pi zasilanie 5 V.

Rys. 1. Złącze PoE stosowane w nowych komputerach Raspberry Pi.

Tego typu nakładki produkuje sama Fundacja Raspberry Pi. Pierwszą z nich wprowadzono do produkcji wkrótce po wydaniu Raspberry Pi 3 B+. Była to płytka Raspberry Pi PoE HAT. Płytka wykonywała wyżej wymienione zadanie – umożliwiała zasilanie malinki z PoE. Dopuszczalne napięcie wejściowe z portu Ethernet w tym module zawiera się w zakresie 36-56 V. Moduł ma wydajność prądową 2,5 A, co oznacza, że jest w stanie dostarczyć ok. 13 W mocy. Jest zgodny ze standardem PoE IEEE 802.3af.

Rys. 2. Nakładka Raspberry Pi PoE HAT

Nowa nakładka PoE+ HAT

W maju 2021 roku na rynek trafił nowy moduł Raspberry Pi PoE+ HAT. Premiera nowej wersji nakładki podyktowana była dwoma rzeczami. Po pierwsze, problemy z alokacją elementów spowodowały, że nastąpiły przerwy w dostawach modułu. Tak jak wielu producentów, Fundacja Raspberry Pi zdecydowała się więc wydać odświeżoną wersję produktu, w którym część komponentów zastąpiono innymi.

Rys. 3. Nakładka Raspberry Pi PoE+ HAT

Drugim powodem była konieczność wydania nakładki o większych możliwościach. Jak podano powyżej, standard IEEE 802.3af umożliwia dostarczenie ok. 13 W mocy. Taka moc wystarczy do zasilania malinki nawet przy dużym obciążeniu i wykonywania skomplikowanych obliczeń. Tym niemniej najnowszy model komputera, Raspberry Pi 4 B, zawiera już złącza USB 3.0. Oznacza to, że malinka może teraz współpracować z urządzeniami wymagającymi szybkiego transferu danych oraz dostarczenia znacznej mocy z zasilania. Przykładem takiej aplikacji może serwer NAS korzystający z dysku twardego połączonego przez USB. W takim wypadku moc dostarczana przez oryginalną nakładkę może być niewystarczająca.

W związku z tym nowy moduł jest zgodny z nowszym standardem IEEE 802.3at-2003 nazywanym także PoE+. Standard umożliwia dostarczenie do urządzenia do 5 A prądu oraz nawet do 25 W mocy. To wystarczy do zasilenia malinki wraz z peryferiami.

Nowości w Raspberry Pi PoE+ HAT

W nowej wersji nakładki użyto prostownika PD70224 firmy Microchip. To podwójny mostek oparty o klucze MOSFET przeznaczony specjalnie do aplikacji PoE. Układ oferuje bardzo niską rezystancję rzędu 0,16 Ω. Oznacza to niskie straty, a także niewielkie wydzielanie ciepła na prostowniku.

Drugą nowinką w nakładce jest zastosowanie transformatora planarnego zaprojektowanego przez firmę Bourns. Transformator ten jest niezbędnym elementem przetwornicy konwertującej napięcie w układzie PoE. W transformatorach planarnych uzwojenia są nie w postaci drutu nawojowego ale ścieżek na płytce drukowanej. Rdzeń jest zamontowany wokół ścieżki na PCB. Transformator planarny ma więc niższy profil i jest prostszy do montażu powierzchniowego na płytce. W zależności od potrzeb można też zaprojektować płytkę w taki sposób, aby uzwojenia były częścią obwodu drukowanego, co pozwala na większą integrację transformatora.

Rys. 4. Transformator planarny zastosowany na nakładce PoE+ HAT

Dodatkową funkcją nakładki jest wentylator 25 x 25 mm o regulowanej prędkości. Umożliwia on chłodzenie nie tylko modułu, ale także samego komputera Raspberry Pi.

Podsumowanie

Nakładka Raspberry Pi PoE+ HAT to produkt umożliwiający zasilanie komputera Raspberry Pi za pomocą sieci Ethernet przez technologię PoE. Dzięki implementacji nowego standardu IEEE 802.3at (PoE+) jest w stanie zapewnić większą moc zasilania niż poprzednik. Taka moc może nie tylko zapewnić zasilanie komputerowi, nawet przy dużym obciążeniu, ale także wymagającym urządzeniom peryferyjnym. Projekt płytki poprawiono i uzupełniono o nowe elementy. Dzięki temu Raspberry Pi PoE+ HAT sprawdzi się w systemach wymagających ograniczenia okablowania oraz dostarczenia zasilania przez technologię Power over Ethernet.

Nakładka Raspberry Pi PoE+ HAT jest dostępna „z półki” w ofercie sklepu Kamami.pl, oficjalnego dystrybutora produktów Raspberry Pi w Polsce