Utilizarea circuitelor integrate standard pentru simplificarea managementului de putere în sistemele PoE+ Multiport

1 MAI 2019

Un avantaj cheie al Power over Ethernet (PoE) este simplitatea sa. Cu toate acestea, modificarea standardului (PoE+) la standardul IEEE 802.3 Ethernet a crescut puterea disponibilă pentru dispozitivele alimentate PD (powered devices) la 30W comparativ cu 15W din specificația originală. Pentru sistemele care utilizează mai multe porturi, capacitatea mai mare a PoE+ necesită o sursă de alimentare mare pentru a face față cererii. Mai mult decât atât, sistemele includ, de obicei, surse multiple de alimentare pentru redundanță, subminând simplitatea PoE.

Într-o instalație tipică PoE+ multiport, nu toate PD-urile vor necesita o putere maximă, făcând posibilă utilizarea unei surse de alimentare mai mici. Cu toate acestea, dificultatea de proiectare care apare la gestionarea diferitelor niveluri de putere de la mai mulți furnizori, în sisteme care ar putea cuprinde zeci de PD-uri, rămâne în continuare prezentă.
Soluția se bazează pe sistemele de alimentare cu cipuri specializate de management a puterii. Astfel de cipuri gestionează puterea (prin intermediul controlerelor de port) mai multor PD-uri (cu cerințe diferite de putere) de la surse primare și de rezervă.

Figura 1: Instalațiile cu joncțiune PoE sunt populare atunci când actualizați un sistem Ethernet existent la PoE, deoarece cablarea existentă poate fi păstrată, reducându-se costurile. – (Sursă imagine: Microsemi Corp.)

Acest articol descrie elementele de bază ale PoE și PoE+ înainte de a introduce soluții de tipul single-chip pentru gestionarea energiei și controler de port și arată cum pot ușura aceastea proiectarea sistemelor PoE+ multiport.

Elementele de bază ale PoE și PoE+
Simplitatea PoE se realizează prin combinarea asigurării alimentării de putere și a comunicațiilor printr-un singur cablu CAT 5. Folosind această caracteristică, inginerii pot proiecta și construi rețele ușor de întreținut rapid și ieftin, în comparație cu instalațiile care utilizează rețele separate de alimen­tare și de date.
PoE a câștigat teren la începutul secolului când protocolul de voce prin Internet (VoIP) a început să profite de tehnologiile bazate pe Ethernet, care au permis atât transferul datelor, cât și alimentarea prin aceeași rețea.
IEEE 802.3af poate furniza până la 15.4W și între 44 și 57VDC (cu o garanție de 12.95W la punctul de conectare) pentru fiecare PD din rețea.
În funcție de necesarul de energie, PD-urile sunt împărțite pe clase de tipul 1, 2 sau 3. Tehnologia utilizează un singur conector standard RJ45 și un cablu CAT 5 (sau CAT 3 dacă cerințele de alimen­tare sunt modeste).
“Alternativa B” a standardului transferă puterea pe cele două perechi de fire (din cele patru perechi din cablarea CAT 5) care nu sunt utilizate pentru a transfera date Ethernet.
“Alternativa A” aplică o tensiune comună pe conductorii de date ai cablului pentru alimentarea dispozitivelor conectate. Deoarece Ethernet utilizează semnalizarea diferențială pentru a transporta date, tensiunea aplicată nu compromite funcția.
IEEE 802.3at poate furniza până la 30W (25.5W pentru PD) și între 50 și 57Vdc la PD-uri. Curentul maxim transportat de PoE+ este de 600 miliamperi (mA), comparativ cu tehnologia anterioară unde era de 350mA. PoE+ utilizează numai cablu CAT 5, reducând astfel impedanța rețelei și pierderile de putere. Modificarea amendamentului IEEE 802.3at este compatibilă cu versiunea IEEE 802.3af, iar cel mai recent standard IEEE802.3-2012 integrează specificația 802.3at.
În plus față de clasele de putere, componentele PoE sunt împărțite în două tipuri:

Tipul 1 care este compatibil cu specificațiile IEEE 802.3af
Tipul 2 care este compatibil cu specificațiile IEEE 802.3af și 802.3at

Figura 2(a): Alternativa B pentru PoE/PoE+ solicită livrarea energiei prin perechile de fire disponibile (non-semnal) din cablul Ethernet CAT 5. Implementările PoE de tip joncțiune pot utiliza numai această configurație. – (Sursă imagine: Silicon Labs)

Cea mai recentă versiune a standardului interzicea folosirea celor patru perechi de cabluri torsadate dintr-un cablu CAT 5 pentru transportul energiei de alimentare.
Cu toate acestea, propunerile pentru așa-numitul PoE de 4 perechi au fost adăugate în standard, astfel încât, PoE cu 4 perechi introduce clasele 5, 6, 7 și 8 și suportă până la 90W (71W la PD) și 960mA.

Figura 2(b): Alternativa A pentru PoE/PoE+ presupune ca puterea să fie furnizată prin perechi de cabluri care transportă și semnale din cablul CAT 5 Ethernet. Punctele terminale PoE pot utiliza ambele configurații ‘alternativa A’ și ‘alternativa B’. – (Sursă imagine: Silicon Labs)

Elementele unui sistem PoE
IEEE 802.3af definește două tipuri de dispozitive PoE: PD și PSE (echipament de sursă de putere). Un PSE primește energie de la o sursă convențională de alimentare și apoi gestionează energia distribuită prin rețeaua Ethernet. În schimb, PD-ul este alimentat printr-un conector RJ45 – eliminând necesitatea unei surse de alimentare încorporate. PoE este capabil să alimenteze PD-urile pe cabluri de Ethernet tipice de până la zeci de metri (m).
Standardele PoE prevăd semnalizarea între PSE și PD. Această semnalizare permite detectarea de către PSE a dispozitivelor conforme, evitând posibilele dete­riorări ale dispozitivelor non-PoE atașate la o rețea. O tensiune DC între 2.8 și 10 volți este aplicată pe conductor. PD-urile atașate prezintă o sarcină rezistivă între 19 și 27kΩ folosind un condensator în paralel de 120nF sau mai puțin, ca o “semnătură”. Odată detectată, PSE negociază cu PD-ul pentru a determina cantitatea de energie necesară.

PSE-urile sunt furnizate ca puncte terminale sau joncțiuni. Punctele terminale (sau switch-urile PoE) sunt switch-uri Ethernet care includ circuite de transmisie PoE/PoE+. Joncțiunile sunt ‘injectoare’ de pute­re PoE situate între switch-urile uzuale de Ethernet și PD-uri, proiectate pentru a adăuga energie fără a afecta integritatea semnalului rețelei existente.
Punctele terminale sunt utilizate în mod normal în instalații noi sau când rețelele mai vechi sunt complet modernizate cu PoE+. Joncțiunile sunt utilizate pentru upgrade-uri de rețea PoE+ atunci când switch-urile de Ethernet existente sunt păstrate pentru a reduce costurile și pentru a ușura instalarea (Figura 1). Un exemplu de joncțiune injectoare este PD 9001 al Microsemi Corporation, care este compatibil cu IEEE 802.3at.

Există o altă deosebire importantă între implemen­tările de tip punct terminal și de tip joncțiune; specificațiile joncțiunii permit ca aceasta să fie utilizată în implementările precum “alternativa B” (adică atunci când alimentarea este furnizată prin intermediul perechilor de fire din cablu care nu transportă date) (Figura 2).

PSE-urile timpurii au încorporat circuite discrete ale interfeței de comunicație împărțite între sursa de alimentare și rețeaua Ethernet. Pentru a simplifica proiectarea sistemului PoE, distribuitorii au introdus apoi controlere integrate PSE care combină circuitul de interfață PoE+ cu sursa de alimentare. Mai recent, design-ul sistemului a fost simplificat prin creșterea capacității controlerelor PSE astfel încât să integreze un microcontroler pentru a permite supravegherea locală a mai multor porturi.

Figura 3: În această configurație de Tip 1, rezistența cablului de 20Ω determină o pierdere de putere de 2.45W în timpul funcționării. Ca rezultat, puterea livrată la PD este redusă la 12.95W, iar tensiunea la 37V. – (Sursă imagine: Silicon Labs)

Soluții practice de circuite integrate pentru managementul puterii PoE
Un exemplu de soluție single-chip este controlerul de port PSE Si4459 PoE de la Silicon Labs. Cipul este conceput pentru a fi utilizat în punctele terminale PSE și integrează opt porturi independente, fiecare cu funcționalitate de detectare și clasificare a PD. În plus, dispozitivul Si3459 permite: deconectarea PD utilizând un algoritm de detecție DC, monitorizare software configurabilă, pentru fiecare port, a tensiunii și curentului și limi­tare de curent programabilă. Deși cipul integrează un microcontroler 8051, pentru controlul complet este necesar un procesor gazdă. Comunicația dintre procesor și Si3459 se realizează printr-o interfață serială compatibilă cu trei fire, I2C. Prin utilizarea Si3459 într-un sistem PoE, proiectantul poate reduce dramatic numărul componentelor și complexitatea rețelei.

Silicon Labs livrează un kit de evaluare – Si3459-KIT – pentru modelele bazate pe Si3459. În timpul funcționării normale, Si3459 este controlat de un procesor gazdă prin interfața I2C a chip-ului; kit-ul include și o interfață grafică (GUI) care facilitează afișarea și controlul regiștrilor I2C ai circuitului Si3459. Setul de evaluare necesită un PC pentru a controla placa de evaluare prin interfața grafică.
Kitul include două controlere Si3459 care suportă un sistem demo cu 16 porturi. Fiecare port poate furniza 30W.
Atunci când se calculează cerințele de putere pentru un sistem PoE, este important să se ia în considerare pierderile prin cablu.
În configurația de Tip 1, datele tehnice permit o rezistență maximă a cablului de 20Ω (Rmax) între PSE și PD (Figura 3). În plus, standardul definește curentul de ieșire maxim PSE (IPSE_out_max), tensiunea minimă de ieșire PSE (VPSE_out_min) și pu­terea de ieșire PSE (PPSE_out). Această configurație are ca rezultat pierderi pe cablu în jur de 2.5 wați, cu o scădere corespunzătoare a puterii și tensiunii la PD.

Tabelul 1: Pierderi de putere prin cablu pentru clasele PoE 0, 1, 2 și 3 (Tip 1) și clasa 4 (Tip 2). – (Sursă: Silicon Labs)

Figura 4: Controlerul de putere Si3484 de la Silicon Labs funcționează împreună cu controlerul de porturi Si3459 al companiei, pentru a controla mai multe surse de alimentare și pentru a configura ieșirea mai multor porturi de clasă 0, 1, 2, 3 și 4. – (Sursă imagine: Silicon Labs)

Configurarea instalărilor PoE multiport
Adoptarea tehnologiei POE+ a îmbunătățit caracterul practic al tehnologiei, deoarece livrarea de putere mai mare permite unui dezvoltator să conecteze dispozitive cu consum mare de energie, cum ar fi camere de supraveghere cu panoramare, înclinare și zoom. Cu toate acestea, sistemele mari, cu zeci de dispozitive alimentate, necesită surse mari de energie și complică designul. De exemplu, luați în considerare un sistem cu 50 de dispozitive PD care extrag puterea maximă disponibilă pentru un sistem de Tip 2; sursa de alimentare ar trebui să furnizeze 1.5 kilowați (50 × 30W). Mai mult decât atât, sistemele comerciale mari PoE+ includ, de obicei, surse de alimentare de rezervă pentru a acoperi defectarea unității primare. Cu toate acestea, în instalațiile tipice PoE+ la scară largă, multe PD-uri nu necesită puterea maximă pe care o poate furniza sistemul. De exemplu, dispozitive precum router-ele Wi-Fi, telefoanele VoIP și luminile cu LED-uri necesită mai puțin de 10W.
Deși se reduce astfel cererea generală a energiei de la sursă, aceasta face mai dificilă configurarea sistemului de management a alimentării.
Furnizorii de cipuri ușurează sarcina proiectanților, de gestionare a consumului de energie PoE+, prin oferirea de controlere de management a consumului energetic. Aceste dispozitive integrate, cum ar fi Si3484 de la Silicon Labs, supraveghează toate cerințele de alimentare ale implementărilor PoE+ multiport.
Si3484 este un “manager” de putere destinat să supravegheze până la 64 de porturi alimentate de trei surse combinate, furnizând o singură sursă de ali­mentare pentru sistem. În timp ce Si3484 este capabil să livreze 30W la toate cele 64 de porturi, funcția de bază este de a configura sistemele cu un amestec de dispozitive de clasă 0, 1, 2 și 3, precum și dispozitivele din clasă 4 utilizate în instalațiile de Tip 2.
Proiectantul poate configura controlerul de mana­gement a puterii Si3484 prin portul SPI al cipului sau interfața UART pentru a stabili capacitatea de alimentare a sistemului, configurația de putere a portului (Tip 1 sau 2), prioritatea portului, timpul de detectare (care variază ușor între ‘Alternativa A’ și ‘Alternativa B’) și protocolul de recuperare în cazul erorilor. Odată programat, dispozitivul Si3484 funcționează fără intervenția procesorului gazdă. Informațiile privind portul și starea generală sunt disponibile și actualizate permanent.
Si3484 este proiectat pentru a fi utilizat împreună cu controlerul de porturi Si3459 PoE PSE descris mai sus. Controlerul de management a puterii utilizează capacitatea lui Si3459 de a monitoriza în timp real curentul și suprasarcina pentru a gestiona puterea distribuită între cele 64 de porturi (Figura 4).

Figura 5(a): Si3484 poate implementa o politică de gestionare a energiei bazată pe subvenții, prin care PD-urile au alocată o cantitate prestabilită de energie, indiferent dacă este utilizată sau nu. Acest lucru permite flexibilitatea consumului de energie a PD-urilor în detrimentul eficienței sistemului. – (Sursă imagine: Silicon Labs)

Managementul alimentării prin PoE
Un singur controler de gestionare a puterii Si3484 poate suporta până la opt controlere de port Si3459 (fiecare cu opt porturi) pentru a construi o instalație cu 64 de porturi. Controlerul de port se ocupă de funcțiile portului de nivel scăzut, cum ar fi detectarea și clasificarea PD-urilor, în timp ce controlerul de gestionare a puterii supraveghează alocarea puterii pe toate porturile.
Dezvoltatorul poate configura o limită de putere opțională pentru fiecare port pentru a limita cantitatea maximă de energie furnizată de controlerul de management a puterii pentru un anumit dispozitiv. Dacă cererea de putere a unui PD este mai mare decât limita alocată portului, cererea este refuzată pentru a evita supraîncărcarea sistemului.
Atunci când sunt conectate PD-uri suplimentare la porturi de rezervă, controlerul de management a puterii determină cerința de putere probabilă din clasificarea PD-ului. Dacă există suficientă energie, ea este furnizată, altfel cererea este respinsă. Si3484 poate ajusta dinamic cantitatea de putere acordată unui PD în timpul unei conexiuni. În cazul supraîncărcării prin port, controlerul de gestionare a alimentării va opri portul.
Cipul Si3484 alocă puterea fiecărui port utilizând fie o politică bazată pe subvenții, fie pe consum, ținând cont de pierderile prin cablu. În cadrul unei politici bazate pe subvenții, porturilor li se alocă o anumită cantitate de energie, indiferent dacă este utilizată sau nu. Puterea pentru PD-uri noi este alocată de la sursa de putere rămasă. Beneficiul acestei abordări se vede atunci când crește consumul de energie al PD-ului în timpul funcționării, această creștere putând fi compensată – cu condiția să nu depășească dozarea inițială. Dezavantajul este ineficiența, deoarece PD-urile noi nu pot accesa alocarea neutilizată a subvențiilor existente (Figura 5a).

Figura 5(b): O politică de gestionare a consumului de energie este mai eficientă și permite alocarea puterii de rezervă și de suprasarcină. – (Sursă imagine: Silicon Labs)

O politică bazată pe consum este mai eficientă, dar poate duce la un port supraîncărcat dacă consumul PD-ului depășește alocarea inițială. Pentru a evita supraîncărcarea repetată a sistemului, dezvoltatorul poate specifica o rezervă de putere reținută pentru a deservi PD-urile existente, dacă consumul lor de energie crește peste alocarea inițială, în loc să fie alocat dispozitivelor noi.
Dezvoltatorul poate configura, de asemenea, Si3484 pentru a oferi o putere suplimentară pe o durată scurtă. O astfel de supraîncărcare este în mod normal posibilă pentru sursele moderne de alimentare, cu condiția să nu fie menținută pentru perioade lungi de timp (Figura 5b).
În timpul funcționării, dacă suprasarcina sistemului este mai mică decât limita de suprasarcină, controlerul de gestionare a puterii dezactivează porturile în ordinea priorității, până când sistemul nu mai este stresat. Dacă sistemul este supraîncărcat sever (cum se poate întâmpla dacă una dintre cele trei surse de alimentare este deconectată), Si3484 oprește toate porturile cu prioritate scăzută și apoi porturile suplimentare, una câte una în ordinea prioritară, până când sistemul este în siguranță.

Concluzie
PoE și PoE+ permit rețelelor Ethernet să transporte energie, în plus față de date. Adăugarea amendamentului IEEE 802.3at la standard a extins domeniul de aplicare al tehnologiei prin integrarea unor dispozitive cu consum mai mare de energie, cum ar fi camerele de securitate mobile.
Cu toate acestea, multiple porturi de consum ridicat dintr-un sistem mare necesită surse mari de alimentare și o atenție deosebită asupra gestionării energiei de alimentare, pentru a evita supraîncărcarea și deteriorarea sistemului. Controlerul de management a puterii facilitează proiectarea și permite dezvoltatorului să configureze un sistem PoE multiport pentru a satisface cu exactitate și eficient nevoile aplicației.

Autor: Rich Miron – Grupul de editori Nord Americani ai Digi-Key

Digi-Key Electronics   |    www.digikey.com
DK_Electronics

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre