Power-Subsysteme in PoE-Geräten Strom für alle!

Implementierung robuster Power-Systeme in PoE-Geräten.
Implementierung robuster Power-Systeme in PoE-Geräten.

Der Standard IEEE 802.3bt erschließt zusätzlichen Gerätetypen die Stromversorgung per Power-over-Ethernet. Dazu sind jedoch höhere Wirkungsgrade und ein breiterer Eingangsspannungsbereich nötig.

Mit Power-over-Ethernet (PoE) lassen sich sowohl Daten als auch Strom über bestehende CAT5/5/5e/6-Ethernet-Kabel senden. PoE-Systeme bestehen aus einer Stromversorgungseinheit (Power Sourcing Equipment, PSE) wie einem Netzwerk-Switch oder einem Midspan-Injektor-Switch sowie einem oder mehreren Endgeräten (Power Device, PD) (Bild 1). Der größte Vorteil von PoE liegt in der Reduzierung der Kabelanzahl, die zum Endgerät geführt wird, da nur noch ein einziges Ethernet-Kabel sowohl Daten als auch Strom führt.

Das vereinfacht die Installation und sorgt zudem für ein zentrales Power-Management – die Endgeräte können aus der Ferne aus- und eingeschaltet werden und gewährleisten selbst bei Stromausfall im Wechselstrombereich einen kontinuierlichen Betrieb, wenn das PSE über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) verfügt. Natürlich gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Strommenge, die effizient für einen Endpunkt bereitgestellt werden kann, und der Entfernung zwischen Endpunkt und Netzwerk-Switch, der die Energie bereitstellt. Die angegebene maximale Distanz zwischen einem PoE-fähigen Switch und dem PD beträgt 100 m. Ein PoE-Ethernet-Extender kann die Reichweite jedoch vergrößern.

Die Stromversorgung erfolgt über die verdrillten Datenleitungen in einem Ethernet-Kabel. Jedes Ethernet-Kabel verfügt über vier Datenleitungspaare. Im Gigabit-Ethernet – bei weitem das häufigste – übertragen alle vier Paare Daten. Über zwei Paare kann dabei die Stromversorgung erfolgen (Bild 2a und Bild 2b). Eine wird als Alternative A und die andere als Alternative B bezeichnet. Um IEEE-Standards zu erfüllen, muss ein PD sowohl Alternative A als auch Alternative B unterstützen, dagegen kann ein PSE entweder Alternative A oder Alternative B oder beide unterstützen. Die Strommenge, die an den Endpunkt geliefert werden kann, ist in der IEEE-Norm geregelt.

Power-Over-Ethernet: Der Markt

Mit dem allgegenwärtigen Internet wird es immer sinnvoller, Endpunktsysteme mit PoE zu versorgen. Mit PoE lassen sich viele verschiedene Endgeräte betreiben – zu den beliebtesten zählen Überwachungskameras, Haus-/Gebäudekontrollen, digitale Schilder, VoIP-Telefone in Unternehmen und WLAN-Zugangspunkte. Verschiedene Marktforschungsberichte deuten auf ein deutliches Wachstum beim Einsatz von PSE- und PD-Systemen weltweit hin. Hier ein paar Auszüge:

Grand View Research

»Ein neuer Bericht von Grand View Research beziffert die Marktgröße der globalen Power-over-Ethernet-(PoE)-Chipsätze bis 2025 auf 1,22 Milliarden US-Dollar, was im Prognosezeitraum einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 12,6 Prozent entspricht. Zunehmende Anwendungen von PoE-Chipsätzen im Wohnbereich, zum Beispiel bei IP-Telefonen, Webcams und Überwachungskamerasystemen (CCTVs), und eine vollständige Abdeckung des drahtlosen lokalen Netzwerks (WLAN) treiben das Marktwachstum im Prognosezeitraum voran.«

Markets and Markets

»Der Markt für PoE-Lösungen wurde 2015 auf 451,1 Millionen US-Dollar geschätzt und wird bis 2022 auf 1.048,3 Millionen US-Dollar anwachsen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 12,56 Prozent im Prognosezeitraum.«

Dell‘Oro-Gruppe

»Nach Schätzungen der Dell‘Oro-Gruppe ist ein deutliches Wachstum der PoE-fähigen Ports zu erwarten. Das Wachstum ist getrieben von der Nachfrage bei drahtlosen Zugangspunkten und anderen Systemen wie Überwachungskameras.«

Mit der Einführung des neuen PoE-Standards IEEE 802.3bt können jetzt noch mehr Arten von Endpunktsystemen mit PoE betrieben werden. Das sollte die Akzeptanz künftig noch weiter erhöhen.

PoE-Systemdesign: Das PD-Power-Subsystem

In Bild 3 ist das Power-Subsystem eines generischen PDs dargestellt. Das Power-Subsystem eines PD umfasst eine PD-Schnittstellensteuerung, die die Leistung des Ethernet-Kabels übernimmt, und einen DC-DC-Wandler, der die Leistung entsprechend der für die Schaltungsfunktionalität erforderlichen Versorgungsschienen regelt. Tabelle 2 zeigt die maximalen Leistungsbeträge, die dem Endgerät über den PoE-Anschluss zur Verfügung stehen. Die PD muss sich über die Klassifizierung der PD-Schnittstellensteuerung selbst klassifizieren, um die für ihre Klasse richtige Leistungsmenge zu erhalten. Weitere Informationen zur PD-Klassifizierung finden sich in der Norm IEEE 802.3bt. Bevor eine Stromversorgungslösung gewählt wird, sollten folgende Fragen beantwortet werden, um die Anforderungen des Endgerätes zu ermitteln:

PD-KlasseMaximale verfügbare Leistung am PD
13,84 W
26,49 W
313 W
425,5 W
540 W
651 W
762 W
871 W

 

 

 

 

 

 

Tablle 2. Leistungsabgabe des PoE-Anschlusses.

Wie viel Leistung benötigt das PD?

Ist die maximale Leistung bekannt, die das PD benötigt, kann auch die entsprechende Klasse gewählt werden, die diese Anforderung erfüllt. Die PD-Leistung sollte nicht überklassifiziert werden, denn eine höhere Leistung erhöht auch die Kosten für die Stromversorgung. Außerdem würde das die verbleibende verfügbare Leistung reduzieren, die die PSE anderen PDs, die an das gleiche PoE-Netzwerk angeschlossen sind, zuweisen kann.

Ist eine Isolierung notwendig?

Die PDs und PSEs müssen eine Isolierung zwischen allen zugänglichen Außenleitern, einschließlich Rahmenmasse – falls vorhanden – und allen medienabhängigen Schnittstellen-Leitungen (Media Dependent Interface, MDI), einschließlich derjenigen, die nicht von der PD oder PSE verwendet werden, gewährleisten. Es gibt zwei zu berücksichtigende Umgebungen für die elektrische Leistungsverteilung, die unterschiedliche galvanische Isolationseigenschaften erfordern:

  • Umgebung A: Wenn ein LAN oder LAN-Segment mit allen zugehörigen miteinander verbundenen Geräten vollständig in einem einzigen Niederspannungsverteilsystem und in einem einzigen Gebäude untergebracht ist. Ein Multiport-Netzabschlussgerät (Network Interface Device, NID), das den Anforderungen der Umgebung A entspricht, erfordert keine galvanische Stromtrennung zwischen den Verbindungssegmenten.
  • Umgebung B: Wenn ein LAN die Grenze zwischen getrennten Stromverteilungssystemen oder die Grenzen eines einzelnen Gebäudes überschreitet. In dieser Umgebung müssen Geräte mit mehreren Instanzen von PSE, PD oder beidem die Isolationsanforderungen des MAU/PHY, dem sie zugeordnet sind, erfüllen oder übererfüllen.

Wenn das PD ein einzelnes Gerät ohne externen Anschluss ist und vollständig in einem Kunststoffgehäuse – zum Beispiel Sicherheitskameras, PoE-LED-Leuchten und kostengünstige IP-Telefone – untergebracht ist, ist keine Isolierung erforderlich. In diesem Fall ist eine nicht-isolierte Stromversorgung die beste Wahl, um die Bedienung zu vereinfachen und die Kosten zu senken.

Benötigt das PD eine Stromversorgung über ein Steckernetzteil?

Ein IP-Telefon verfügt höchstwahrscheinlich über einen AC-Netzteil-Eingang zur Verwendung in einem Gebäude, in dem PoE noch nicht verfügbar ist. Wenn ein PD dort eingesetzt werden soll, wo PoE noch nicht verfügbar ist, dann sollte eine PD-Schnittstelle mit einem Eingang für Steckernetzteile genutzt werden.

Braucht das PD einen Low-Power-Stand-by-Modus, um Auflagen des Betreibers zu erfüllen?

Immer mehr Betreiber verlangen nach „Ökostrom“-Funktionen, mit denen Geräte wie ein IP-Telefon während der Leerlaufzeiten und in Sleep-Phasen außerhalb der Arbeitszeit so wenig Strom wie möglich verbrauchen. In diesem Fall ist die beste Wahl eine PD-Schnittstellensteuerung, die mit Maintain Power Signature (MPS) und Low-Power-Sleep-Modus ausgestattet ist, um die Einhaltung der Vorgaben zu gewährleisten und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

Ist ein hoher Wirkungsgrad wichtig?

Ein hoher Wirkungsgrad führt zu einer geringeren Verlustleistung, was die Wärmeabfuhr für das PD erleichtert. Eine geringere Wärmeabfuhr bedeutet wiederum eine niedrigere Betriebstemperatur, was zu höherer Zuverlässigkeit führt. In Fällen, in denen das PD für den Betrieb viel Strom benötigt, erfordert ein PD mit 80-prozentigem Wirkungsgrad eine Eingangsleistung von 60 W/80 % = 75 W, was die maximale PoE-Leistung von 71 W übersteigt und das Endgerät somit nicht PoE-kompatibel macht. Ein PD mit 90 % Wirkungsgrad erfordert jedoch eine Eingangsleistung von nur 60 W/90 % = 67 W, was deutlich unter Klasse 8 (71 W) liegt. In diesem Fall ist eine hohe Effizienz ein Muss. Außerdem ist es immer wünschenswert, das PD in die niedrigste Leistungsklasse zu klassifizieren, damit die verbleibende PoE-Leistung weiteren PD-Geräten im System zugeordnet werden kann. Eine höhere Effizienz könnte ein „grenzwertiges“ Endgerät in die nächstniedrigere Leistungsklasse bringen.

Die Auswahl des PD-Schnittstellen-Controllers

Bei der Auswahl eines PD-Schnittstellen-Controllers gilt es, einige wichtige Merkmale zu beachten:

  • IEEE 802.3af/at/bt-Konformität
  • Type 1~4 PSE-Klassifizierungsindikator oder ein externer Steckernetzteil-Indikatorausgang
  • Vereinfachte Schnittstelle für Steckernetzteil
  • Multi-Event-Klassifizierung 0 bis 8
  • Intelligente MPS
  • Sleep-Modus und Ultra-Low-Power-Sleep-Modus

Mit diesen Merkmalen ließen sich die meisten der zuvor genannten PD-Anforderungen erfüllen. Die restlichen Anforderungen werden von einem DC-DC-Controller erfüllt. Tabelle 3 stellt einige empfohlene PD-Interface-Controller und ihre wichtigsten Merkmale gegenüber.

 802.3af/at-konfromCoC-konform70 W
MAX5969X  
MAX5981XX 
MAX5982X X

 

Die Auswahl des nicht-isolierten DC-DC-Wandlers

Wenn das PD keine Isolierung benötigt, ist ein Hochspannungsabwärtswandler eine geeignete Wahl als DC-DC-Wandler. Hierbei gilt es Wirkungsgrad, Gesamtschaltungsgröße und Kosten zu berücksichtigen. Geeignet sind Bausteine mit Merkmalen wie Synchrongleichrichtung, einem weiten Eingangsspannungsbereich und einem hohen Integrationsgrad. Bild 4 zeigt ein Beispiel für eine nicht-isolierte DC-DC-Wandlerlösung, die die Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Größe erfüllt. Hier handelt es sich um ein PD der Klasse 3 mit Ausgang 5 V/2,5 A und 92 % Spitzenwirkungsgrad. Bild 5 zeigt ein Beispiel für einen weiteren nicht-isolierten DC-DC-Wandler, eine Klasse-1-Lösung mit einem winzigen Leistungsmodul mit 5 V/300 mA.

Die Auswahl des isolierten DC-DC-Controllers

Benötigt das PD eine Isolierung, ist ein Sperrwandler mit einer Leistung von bis etwa 40 W (Klasse 5 und darunter) geeignet. Ein Bauteil, das die Anzahl der benötigten Komponenten minimiert, spart Platz auf der Platine und senkt die Ausgaben. So kann beispielsweise ein isolierter Sperrwandler-Controller, der keine Optokoppler zur Rückführung der Ausgangsspannungsregelung benötigt, mehrere externe Komponenten und damit Platz und Kosten einsparen.

Außerdem wirkt sich ein Optokoppler auch auf die Betriebszeit aus, deshalb resultiert der Verzicht auf den Optokoppler in einer höheren Zuverlässigkeit. Bild 6 zeigt ein Beispiel für eine isolierte DC-DC-Wandlerlösung. Es handelt sich um ein Klasse-2-PD mit 5-V/1-A-Ausgang, der mit einer Eingangsspannung von 12 V bis 57 V des Steckernetzteils betrieben werden kann. Um den Wirkungsgrad des DC-DC-Sperrwandlers weiter zu verbessern, kann die Ausgangsgleichrichterdiode durch eine Synchrongleichrichtung ersetzt werden. Bild 7 zeigt ein Beispiel dafür.

Für Ausgangsleistungen über 40 W ist für einen höheren Wirkungsgrad – auch wenn der Sperrwandler immer noch funktionieren kann – ein Durchflusswandler mit Active Clamp gefragt. Bei höherer Ausgangsleistung ist der Wirkungsgrad sehr wichtig, um die Wärmeabfuhr im PD zu reduzieren. Ein DC-DC-Durchflusswandler mit Active Clamp hat aufgrund seiner weichen Schaltflanken auch eine geringere EMV-Anfälligkeit. Bild 8 zeigt ein Beispiel für einen DC-DC-Durchflusswandler mit Active Clamp. Der Wandler liefert eine isolierte Ausgangsspannung von 57 V bei 700 mA und damit insgesamt 40 W bei einem Spitzenwirkungsgrad von 91,5 %.

Anthony T. Huynh ist Principal Member Technical Staff (PMTS) und Application Engineer bei Maxim Integrated. Er hat mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von isolierten und nicht isolierten Schaltnetzteilen und Power-Management-Produkten. Bei Maxim hat er über 100 Produkte für das Power- Management entwickelt, darunter DC-DC-Wandler, Hot-Swap-Controller, Power-over-Ethernet-Stromversorgungen und verschiedene Schutzschaltungs-ICs, die von weltweit führenden Herstellern eingesetzt werden. Huynh hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik der Oregon State University und einen Master of Science in Elektrotechnik der Portland State University.

Suhel Dhanani ist Director of Business Development Industrial & Healthcare Business Unit bei Maxim Integrated. Bevor er zu Maxim kam, leitete Suhel das Marketing für das Segment Industrieautomation bei Altera Corp. Dhanani verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung im Produkt- und Segmentmarketing in verschiedenen Silicon Valley Unternehmen wie Xilinx, Altera und Tabula. Suhel hat einen MSEE- und MBA- Abschluss der Arizona State University und ein Graduate Certificate in Management Science der Stanford University.