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SPE-System mit Power-over-Data-Lines realisieren

7. Juli 2025, 14:30 Uhr | Von Dr.-Ing. Heinz Zenkner, Redakteur Gerhard Stelzer

In der industriellen Vernetzung setzt sich Single Pair Ethernet (SPE) durch, verspricht es doch eine vereinfachte Verkabelung mit nur einem verdrillten Adernpaar. Wird gleichzeitig die Peripherie per Power-over-Data-Lines (PoDL) mit Strom versorgt, ergibt dies eine effiziente und attraktive Lösung.

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Würth Elektronik biete ein Referenzdesign für SPE mit PoDL an, ein System, das sowohl Daten als auch Energie effizient zwischen zwei Punkten über eine Zweidrahtleitung übertragen kann. Hierbei übernimmt das Zentralgerät nicht nur die Datenübermittlung, sondern versorgt gleichzeitig das Peripheriegerät über dieselbe Leitung mit Strom.

SPE ist ein zukunftsweisender Standard für die Ethernet-Kommunikation, der sich durch die Nutzung eines einzigen Adernpaares für die Datenübertragung auszeichnet – im Gegensatz zu herkömmlichem Ethernet, das normalerweise bis zu vier Adernpaare nutzt. Dadurch eignet sich SPE für Anwendungen, bei denen Platz und Gewicht eine entscheidende Rolle spielen, wie etwa in der Automobilbranche, der Industrie und bei IoT-Geräten (Internet of Things).

Power over Ethernet (PoE) ist eine Technologie, die es ermöglicht, elektrische Energie zusammen mit Daten über ein Ethernet-Kabel zu übertragen. Dadurch entfallen separate Stromkabel, was die Installation vereinfacht, und Kosten senkt, insbesondere bei Anwendungen wie IP-Kameras, VoIP-Telefonen und Wireless Access Points.

Power over Data Lines (PoDL) überträgt dieses Konzept auf SPE-Systeme, indem es die Stromversorgung über ein einziges Twisted-Pair-Kabel ermöglicht, das für die Datenübertragung in SPE-Systemen genutzt wird. Dadurch können Geräte, die per SPE angeschlossen sind, über das gleiche Kabel mit Strom versorgt werden, das auch für die Datenübertragung genutzt wird. In der Fachliteratur wird Single Pair mit PoE oftmals auch als SPoE bezeichnet, ein Begriff, der in den folgenden Ausführungen verwendet wird.

SPoE-Merkmale

SPoE unterscheidet sich in Definition und Implementierung von PoE. Es umfasst,

eine einzigartige Technik der Leistungskopplung, die in einer 2-Draht-Schaltung angewandt wird.
eine gleichzeitige Übertragung von Strom und Daten über ein symmetrisches, verdrilltes Leitungspaar.

Ein einziges Aderpaar dient zur Datenverbindungen, es ist an beiden Enden galvanisch entkoppelt, um Erdschleifen zu vermeiden. WEs PoE-System überträgt Strom parallel zu den Daten, während das SPoE-System Strom und Daten über ein einziges Adernpaar kombiniert. Bild 1 zeigt die Prinzipschaltung des SPoE-Systems. Auf der linken Seite des Schaltplans befindet sich das Power Source Equipment (PSE) mit dem PHY (Physical Layer im OSI-Modell). Auf der rechten Seite befindet sich das Powered Device (PD, Last) und ein weiterer PHY. Während die PHYs die Datenverbindung herstellen, versorgt das PSE das PD mit Strom. Während die Datenverbindung hier kapazitiv erfolgt (C1 - C4), wird die Stromversorgung induktiv (L1 - L4) entkoppelt. Sowohl die Daten als auch die Stromversorgung werden über das Twisted-Pair-Kabel übertragen. Die Schnittstelle wird als »Media Dependent Interface« oder »Port Interface« (MDI/PI) bezeichnet.

Für die Integration der Stromversorgung neben der Datenübertragung ist ein robustes, auf Klassifizierung basierendes Stromversorgungsprotokoll erforderlich, das die Kompatibilität zwischen Stromversorgungsgeräten (Power Sourcing Equipment, PSE) und betriebenen Geräten (Powered Devices, PD) sicherstellt. Dieses Protokoll umfasst mehrere Schritte, um die Kompatibilität und Sicherheit vor der Stromübertragung zu gewährleisten und so das Risiko potenzieller Gefahren wie Kurzschlüsse oder offene Stromkreise zu minimieren.

Am Anfang des Prozesses steht die Erkennungsphase durch das PSE, in der es das Vorhandensein von angeschlossenen PDs innerhalb des Netzes feststellt. Anschließend klassifiziert das PSE die PDs und fragt wichtige Informationen wie Klasse und Typ ab. Darüber hinaus umfasst das Protokoll die von der PD unterstützte Messung von Kabelwiderstand und Anschlusskapazität (CRM), um die Integrität der Verbindung weiter zu bewerten. Definiert ist das Protokoll in IEEE 802.3cg (SPoE, 2019), das eine Erweiterung des Standards 802.3bu Power over Data Lines (PoDL, 2016) darstellt.

PoDL definiert die Protokolle für die Erkennung, Klassifizierung und Einschaltprozeduren und gewährleistet so einen standardisierten Ansatz in verschiedenen Netzwerkumgebungen. Darüber hinaus erweitert SPoE seine Fähigkeiten um Long-Range-Protokolle, wie etwa 10BASE-T1L, das Kabellängen von bis zu einem Kilometer unterstützt. Dies eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in Szenarien, in denen herkömmliche Stromversorgungsmethoden unpraktisch oder ineffizient sind.

In den folgenden IEEE-Normen sind die elektrischen Anforderungen für SPoE festgelegt:

IEEE 802.3cg (10BASE-T1): Bandbreite 0,1 bis 20 MHz, Reichweite bis zu 1000 m.
IEEE 802.3bw (100BASE-T1): Bandbreite 0,3 bis 66 MHz, Reichweite bis zu 40 m.
IEEE 802.3bp, (1000BASE-T1): Bandbreite 1 bis 600 MHz, Reichweite bis zu 40 m.

Wie in Bild 2 dargestellt, unterscheiden sich die für SPoE verwendeten Kabel von den für Ethernet verwendeten Standardkabeln.

SPoE erfordert Kabel, die in der IEC 61156 definiert sind, das heißt »mehradrige und symmetrische Paar-/Viererkabel für die digitale Kommunikation«. Ein Standard-CAT-6- oder CAT-7-Kabel, auch wenn sie geschirmt sind, sind hierfür nicht geeignet.

Ähnlich wie bei den Ethernet-Klassen gibt es auch bei SPoE verschiedene Varianten, die in Tabelle 1 dargestellt sind.

IEEE 802.3bu ist ein von der IEEE im Jahr 2016 verabschiedeter Standard für die Stromversorgung von Geräten über eine einpaarige Ethernet-Verbindung. Je nach Anwendung unterscheiden sich die Kabel: So enthalten Kabel des Typs A massive Drähte und sind für die feste Installation gedacht, Kabel des Typs B hingegen enthalten Litzen und sind für flexible Anwendungen oder Vibrationen ausgelegt.

SPoE kann in ein gemischtes System mit gängigen industriellen Ethernet-Protokollen wie Ethernet/IP, Profinet und EtherCAT integriert werden und ermöglicht die gleichzeitige Stromversorgung von Endgeräten. Bild 3 zeigt einen typischen Aufbau.

Bevor es die Stromversorgung aktiviert, testet das PSE die Verbindung, indem es einen 10-mA-Teststrom einprägt, um zu prüfen, ob der Spannungsabfall innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Sobald das PD erkannt wird, wird die Geräteklasse mithilfe des so genannten »Serial Communication Classification Protocol« (SCCP) bestimmt. Nach der Bestimmung der PD-Klasse wird die Leistung hochgefahren. Je nach System können die Versorgungsspannungen 12 V, 24 V oder 48 V betragen. Dabei reichen die Leistungsklassen von 0,5 bis 50 W, bei einem maximalen Strom von 2 A. Liefert das PSE nicht die volle Leistung, bleibt die Stromaufnahme konstant unter 1 mA bei 3,3 V (Sleep-Modus). Tabelle 2 zeigt die Parameter der physikalischen Schicht von SPoE-Systemen.

SPoE-Schaltungstechnik

Bild 4 zeigt die Schaltungstechnik des SPoE-Systems von Würth Elektronik. Auf der linken Seite befindet sich das PSE, auf der rechten Seite das PD, und dazwischen die Übertragungsstrecke in Form des Kabels. Für PSE und PD sind die Schnittstellen mit primärem Transientenschutz, Gleichtaktdrosseln, Transformatoren und sekundärem Transientenschutz identisch.

Strom und Daten werden an der Schnittstelle über ein Leistungskoppelnetz miteinander gekoppelt. Der PHY ist über den Datentransformator T1 wechselstromgekoppelt. Gleichtaktdrossel CMC1 dämpft das Gleichtaktrauschen von der Datenleitung zum PHY und umgekehrt. Die Gleichstromversorgung des PSE wird auf die differenziellen Datenleitungen gekoppelt und durch CMC2 entkoppelt. CMC2 ist so Stromversorgungssystem nicht. Ist aufgrund der Anwendung eine galvanische Trennung erforderlich, muss diese durch die eine externe 24-V-Versorgung sichergestellt werden.

An PSE und PD lassen sich folgende Geräte zur Datenkommunikation anschließen:

PSE/X7: 10-Mbit/s-Ethernet → PD/X7: 10-Mbit/s-Ethernet
PSE/X1: USB 3.1 → PD/X1: USB 3.1

Es ist möglich die Schnittstellen gemischt oder über Kreuz zu konfigurieren und gleichzeitig betreiben. Zusätzlich kann der Betriebszustand am PSE/X9 überwacht werden. X9 ist eine serielle Schnittstelle, und für den einfachen Betrieb sollte ein Seriell/USB-Umsetzer verwendet werden, der dann an die USB-Schnittstelle eines PC angeschlossen wird.

Auf der SPE-Übertragungsstrecke wird mit einer Datenrate von 10 Mbit/s bei einer Amplitude von etwa 2,5 VPP gearbeitet, die Betriebsspannung auf der Zweidrahtleitung beträgt 20 bis 24 VDC.

PSE-Platine

Von der SPE/PoDL-Schnittstelle werden die Daten an den PHY ADIN1100 (Analog Devices) übertragen. Er wandelt die Daten um und leitet sie an den Ethernet-Switch LAN9355 (Microchip) weiter. Dieser Multiport-Ethernet-Switch gibt die Daten sowohl an den Ethernet-Port als auch an den LAN7800 Ethernet/USB-Konverter (Microchip) weiter.

Die Stromversorgung für den PD wird über ein Netzwerk in die SPE/PoDL-Schnittstelle eingekoppelt. Eine IEEE-802.3cg-konforme Steuerung der Stromversorgung wird über den über den Controller LTC4296 (Analog Devices) sichergestellt und vom Mikrocontroller STM32G03C8T6 (STMicroelectronics) verwaltet. Die eigentliche Spannungsversorgung wird in den LTC4296 eingespeist. Ein DC/DC-Wandler erzeugt aus den +24 V eine Spannung von 3,3 V zur Versorgung der Onboard-Elektronik der SPE.

In Summe lassen sich die Eigenschaften des PSE wie folgt zusammenfassen:

Unterstützt mehrere Leistungsstufen von Power-over-Ethernet
Erkennung und Klassifizierung des PD, Bereitstellung der richtigen Leistung für den PD
PoDL-Klasse 12 bis zu 30 V / 8,3 W
USB-3.1-Anschluss, selbstversorgendes Gerät (keine Stromversorgung am Anschluss)
10-/100-Mbit/s-Ethernet-Anschluss
10-Mbit/s-SPE-Anschluss
Datenübertragung zwischen USB 3.1 und 10-/100-Mbit/s-Ethernet
Datenübertragung zwischen USB 3.1 und SPE (10 Mbit/s)
Datenübertragung zwischen SPE (10 Mbit/s) und 10-/100-Mbit/s-Ethernet

Bild 6 zeigt die Oberseite der WE PSE-Platine.

PD-Platine

Der Signalfluss auf der PD-Seite ist identisch mit dem im PSE-Design. Dabei werden die von der SPE kommenden Daten von der SPE/PoDL-Schnittstelle an den PHY ADIN1100 übertragen. Aufgabe der PHY ist dann die Wandlung der Daten und die Weiterleitung an den LAN9355 Ethernet-Switch. Dieser gibt die Daten dann sowohl an den Ethernet-Port als auch an den LAN7800 Ethernet/USB-Konverter weiter.

verdrahtet, dass das differentielle Signal entkoppelt wird. Es muss darauf geachtet werden, dass die Drossel nicht durch den Versorgungsstrom zu stark vormagnetisiert wird und somit einen zu starken Impedanzabfall aufweist.

Es ist darauf zu achten, die Induktivitäten (T1, T2, CMC1, CMC2) so auszuwählen, dass sie die Spezifikationen für den P-Bereich, die Rückflussdämpfung und die Modenumwandlung gemäß IEEE 802.3cg erfüllen. Für den Transientenschutz am Eingang der Schnittstelle (der Primärseite der Transformatoren T1 und T2) ist der Massebezug das Gehäuse. Für den Transientenschutz auf der Sekundärseite der Transformatoren ist die Bezugsmasse GND_sec., die Masse für den PHY-Schutz.

Konventionelles IEEE 802.3 Multipair-Ethernet (einschließlich PoE) erfordert eine galvanische Trennung von der Gehäusemasse. Gemäß den Normen IEEE 802.3bu (PoDL) und IEEE 802.3cg (SPoE) müssen PSE/PDs eine Isolierung von mindestens 1 MΩ (@ 5 V ± 20 Prozent) zwischen allen zugänglichen externen Leitern und der Schnittstelle (MDI) bieten. Je nach Anwendung müssen die Geräte den einschlägigen Normen wie IEC 61010-1 (Sicherheitsvorschriften für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte) oder IEC 62368-1 (Sicherheitsanforderungen für Geräte der Audio-/Video-, Informations- und Kommunikationstechnik) entsprechen. Geräte ohne elektrisch leitende Schnittstellen-Pins – mit Ausnahme des Twisted-Pair-Ethernet-MDI – können die Isolationsanforderungen durch Einsatz eines nicht leitenden Gehäuses erfüllen.

Für SPoE-Anwendungen, die eine galvanische Isolierung vom Gehäuse erfordern, muss eine isolierte Stromversorgung verwendet werden. Einschlägige Sicherheitsnormen, einschließlich Luft- und Kriechstrecken sowie Schutzabstände, sind dabei einzuhalten.

Implementierung des SPoE-Systems

Im Bild 5 ist die Blockschaltung des WE SPoE-Systems dargestellt. Versorgt wird das System über eine externe Stromversorgung am PSE (Anschluss X4, +24 V / < 80 mA). Galvanisch getrennt ist das Über ein Kabel vom PSE kommend, wird die Stromversorgung in den SPoE-PD-Controller LTC9111 (Analog Devices) eingekoppelt. Dieser IEEE 802.3cg-konforme Controller sorgt für die SCCP-basierte Klassifizierung. Ein DC/DC-Wandler erzeugt aus den +24 V eine Spannung von 3,3 V zur Versorgung der Onboard-PD-Elektronik.

Die Eigenschaften des PD lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Betriebsspannung: 24 V, Stromklassifizierung über SCCP-Protokoll.
USB-3.1-Port, self-powered Gerät (keine Stromversorgung am Port).
10-/100-Mbit/s-Ethernet-Anschluss.
10-Mbit/s-SPE-Anschluss.
Datenübertragung zwischen USB 3.1 und 10-/100-Mbit/s-Ethernet.
Datenübertragung zwischen USB 3.1 und SPE (10 Mbit/s)
Datenübertragung zwischen SPE (10 Mbit/s) und 10-/100-Mbit/s-Ethernet.

Bild 7 zeigt die Oberseite des WE-PD-Boards. Auf der linken Seite befindet sich die SPoE-Schnittstelle. Ein Anschluss kann entweder über eine 3-polige Steckklemme (X3) oder einen SPE-Stecker (X2) erfolgen. Für die 24-V-Stromversorgung (X4) befindet sich der Anschluss unten links auf der Platine und die Ethernet- (X7) und USB-Schnittstellen (X1) befinden sich auf der rechten Seite.

Da das vorgestellte Referenzdesign nicht im Modus mit 1000 m Reichweite getestet wurde, wird derzeit nur ein Betrieb mit Kabellängen von bis zu 100 m empfohlen.