Power over Ethernet

Mehr Performance bei Edge Computing

3. März 2020, 9:30 Uhr | Riley Beck, ON Semiconductor

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Klassifizierung bei PoE

Power over Ethernet klassifiziert Geräte entweder als Power Sourcing Equipment (PSE) oder als Powered Devices (PD). Darüber hinaus gibt es zwei Arten von PSE: Einige liefern Strom und Daten über das Kabel, andere erhöhen einfach nur die Leistung. Endpunkt-PSEs sind Ethernet-Daten-Switches mit integrierten PoE-Funktionen, während Midspan-PSEs zwischen einem Switch und dem PD platziert werden, um zusätzliche Leistung in die Verbindung einzuspeisen. Durch den Einsatz eines Midspan-PSE kann somit auch eine Ethernet-Verbindung mit Strom versorgt werden – selbst wenn diese nicht über einen PSE-Switch verfügt.

In früheren Versionen der Spezifikation war die dem PD zur Verfügung gestellte Leistung konstant – unabhängig davon, wie viel Energie tatsächlich benötigt wurde. Eine entscheidende Verbesserung der 802.3bt-Spezifikation ist die Autoclass-Funktion. Damit kann das PD dem PSE mitteilen, wie viel Strom es tatsächlich benötigt. Auf diese Weise kann das PSE mehr PDs unterstützen, weil das PSE die verfügbare Leistung effektiver verwalten kann.

Dies lässt sich damit vergleichen, wie frühere Versionen der Spezifikation die Stromversorgung über die verfügbaren Verbindungen in Bezug auf ihre Typdefinition verwaltet haben:

  • Typ 1 (PoE) nutzt den Standard IEEE 802.3af mit einer maximalen Leistung von 15,4 W über ein Kabel mit zwei Leitungspaaren zu einem Port. Damit stehen 12 W für Systeme wie VoIP-Telefonie, Sensoren, funkbasierte Zugangspunkte mit zwei Antennen oder statische Kameras ohne PZT-Funktion zur Verfügung.
  • Typ 2 (PoE+) basiert auf IEEE 802.3at und liefert 30 W an den Ethernet-Port – ebenfalls über zwei Leitungspaare. Dies richtet sich an komplexere Überwachungskameras mit PZT-Funktion sowie an funkbasierte Zugangspunkte mit sechs Antennen, LCD-Displays, biometrische Sensoren und Tablets mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 25 W.
  • Typ 3 (PoE++) nutzt vier Leitungspaare, um über IEEE 802.3bt bis zu 60 W für Videokonferenz- und Gebäudemanagement-Systeme bereitzustellen.
  • Typ 4 erweitert PoE++ auf 90 W je Port und stellt bis zu 71,3 W Leistung für ein Gerät bzw. System zur Verfügung.

Bei Autoclass überprüft ein PSE vom Typ 3 und 4, sobald eine Verbindung besteht, zunächst, ob alle vier Leitungspaare verwendet werden können (Bild 1). Als Reaktion darauf erzeugt das PD eine von zwei Stromversorgungssignaturen. Die Einzelsignatur zeigt auf, dass sowohl der Zwei- als auch der Vierpaarbetrieb über Gleichrichter von derselben Versorgungsschiene erfolgt und alle elektrischen Lasten die gleiche Versorgungsschiene nutzen. In einem Dual-Signature-PD sind beide Modi mit einem einzelnen PD-Controller verbunden – mit unterschiedlichen Erkennungs- und Klassifizierungsmechanismen. Damit lässt sich selbst bei eingeschaltetem Zweipaarmodus der Vierpaarmodus erkennen und klassifizieren, was bei einem PD mit einfacher Signatur nicht möglich wäre.

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Bild 1: Startvorgang für ein PD der Klasse 8 mit Autoclass unter Power over Ethernet IEEE 802.3bt.
© ON Semiconductor

Der neue Standard unterstützt auch eine niedrigere Standby-Leistungsschwelle. Der bisherige Standard IEEE 802.3at bot eine Mindestleistungsschwelle von 130 mW, unterhalb der das PD abschaltete. Der Schwellenwert für den neuen Standard IEEE 802.3bt mit Short MPS (Maintain Power Signature) liegt bei nur 20 mW. Dies verringert die Standby-Verluste signifikant.

Da Autoclass die an den Port gelieferte Energie verwaltet, muss sichergestellt sein, dass jedes PD die benötigte Leistung erhält. Dabei sind auch die Verluste zu berücksichtigen, die über verschiedene Kabellängen auftreten. Dazu muss das PD die maximale Leistung verbrauchen, die es nach dem ersten Einschalten für ca. 1,5 s benötigt. Das PSE misst diesen Wert, um das Leistungsbudget des PD zu ermitteln (Bild 1).

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Bild 2: Blockdiagramm des PoE-PD-Schnittstellen-Controllers NCP1095 von ON Semiconductor.
© ON Semiconductor

Integrierte Lösung

Heute gibt es PoE-Controller, die Hochleistungs-PoE entweder mit einem externen oder einem integrierten MOSFET unterstützen. Controller ohne integrierten Transistor erlauben die Wahl des externen MOSFETs, der sich auf die jeweilige Anwendung abstimmen lässt.

Der PoE-PD-Schnittstellen-Controller NCP1095 von ON Semiconductor unterstützt IEEE 802.3af, 802.3at und 802.3bt. Er integriert alle Funktionen, um ein PoE-PD zu realisieren, beispielsweise Erkennung, Klassifizierung und Strombegrenzung während der Einschaltphase (Bild 2). Die Stromversorgung erfolgt über einen externen Durchgangstransistor, und der Controller verfügt über einen Power-Good-Pin, um den nachgeschalteten DC-DC-Hauptwandlers ein- oder abzuschalten. Über einen Pin für das Klassifizierungsergebnis kann der Controller eine bestimmte Leistungsklasse bis zur Klasse 8 unterstützen.

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Bild 3: Komplette PoE-PD-Anwendung mit dem NCP1095 oder NCP1096.
© ON Semiconductor

Der NCP1095 unterstützt die Autoclass-Funktion und zeigt an, wann eine kurze Maintain-Power-Signatur implementiert werden kann. Darüber hinaus lässt sich mit einem Pin, der eine Hilfsversorgung erkennt, der Baustein in Anwendungen einsetzen, in denen die Stromversorgung entweder über PoE oder über ein Steckernetzteil erfolgen kann. Bild 3 beschreibt, wie sich eine PoE-PD-Anwendung mit dem NCP1095 oder NCP1096 (mit integriertem Schalttransistor) implementieren lässt.

Der Wechsel der Stromversorgung von zwei auf vier Ethernet-Leitungspaare machte es nötig, den PoE-Standards deutlich zu verändern, aber die verfügbare Leistung liegt nun bei 100 W. Die höhere Leistung ermöglicht leistungsfähigere Systeme, die kein integriertes oder externes Netzteil benötigen. Das Hinzufügen von Einfach- und Doppelsignaturen mit Autoclass macht dies effizienter und besser steuerbar.

Mit dieser zusätzlichen Leistung bei IEEE 802.3bt lassen sich PDs mit weiteren Funktionen ausstatten, um beispielsweise komplexere Algorithmen für maschinelles Lernen auszuführen, Aktivitäten in Fertigungsbereichen zu überwachen und potenzielle Probleme zu identifizieren, bevor diese kritisch werden. Dies reduziert auch die Datenmenge, die zurück in die Cloud gesendet wird, was wiederum die Energiekosten und die Komplexität verringert.


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