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Power over Ethernet

Leistung gerecht geteilt

Leistungsbedarf verbreitet sich bei Power-over-Ethernet-Anwendungen (PoE) zunehmend bei Techniken zum Power Sharing
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Da der Leistungsbedarf der Endgeräte stetig steigt, verbreitet sich bei Power-over-Ethernet-Anwendungen (PoE) zunehmend Techniken zum Power Sharing. Worauf ist bei einer solchen Stromversorgung zu achten?

Leistungsaufteilung (Power Sharing) und Leistungsbegrenzung (Power Limiting) sind gängige Anforderungen an Systeme, wenn sie von mehreren parallelen Stromversorgungen gespeist werden. Eine verbreitete Methode, diese Vorgaben zu erfüllen, besteht darin, den Strom auf der Grundlage des gemessenen Ausgangsstroms eines jeden Moduls gleichmäßig auf die einzelnen Stromversorgungsmodule aufzuteilen (Bild 1). Diese gleichmäßige Stromaufteilung kommt jedoch nur dann infrage, wenn beide Kanäle ähnlich viel Leistung aufnehmen dürfen. Da die Aufteilung außerdem anhand der jeweiligen Ausgangsströme erfolgt, hängt die Genauigkeit der Aufteilung vom relativen Wirkungsgrad der einzelnen Stufen der Gleichspannungswandler ab.

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Vereinfachte Darstellung einer Stromversorgungsarchitektur mit gleichmäßiger Stromaufteilung
Bild 1: Vereinfachte Darstellung einer Stromversorgungsarchitektur mit gleichmäßiger Stromaufteilung.
© Texas Instruments

Einige Anwendungen verlangen jedoch nach einem universelleren Konzept zur Leistungsaufteilung und -begrenzung. Ein Beispiel für einen solchen Anwendungsfall ist Power over Ethernet (PoE), wo in bestimmten Situationen nicht nur eine ungleichmäßige Aufteilung notwendig ist, sondern auch die Eingangsleistung der einzelnen Einspeisungen begrenzt werden muss. Der Grund hierfür ist, dass den verschiedenen Einspeisungen durch das Power Sourcing Equipment (PSE) möglicherweise unterschiedlich viel Leistung zugewiesen wurde und dass die versorgten Einheiten nicht berechtigt sind, dieses zuvor ausgehandelte Maß an Leistung zu überschreiten.

Power over Ethernet stellt eine zweckmäßige Möglichkeit dar, Systeme über das Ethernet-Kabel auch mit Strom zu versorgen. Gemäß den IEEE-Normen 802.3at und 802.3bt durchläuft das PSE, nachdem es ein gültiges Powered Device (PD) erkannt hat, eine Physical-Layer-Klassifizierung. Hierzu fragt das PSE zunächst ab, wie viel Leistung das PD benötigt, und signalisiert dem PD anschließend, wie viel Leistung es tatsächlich zur Verfügung stellt. Erst danach wird das PD mit Energie versorgt, wobei die Eingangsleistung des PD nicht über der tatsächlich zur Verfügung gestellten Leistung liegen darf.

Equipment, das die gesammelte Leistung von mehreren Einspeisungen benötigt, muss über einen Kontrollmechanismus verfügen, um die IEEE-Vorgaben zu erfüllen. Ein mögliches Anwendungsbeispiel ist ein kompakter Switch, der in der Regel über PoE-Kabel mit Strom versorgt wird und seinerseits über mehrere PoE-Ausgangskabel mehrere Verbraucher versorgt. Zu den zahlreichen Herausforderungen, die sich hier stellen, gehört die Leistungsmessung und ihre Genauigkeit.

Eingangsleistung begrenzen

Eine optimale Lösung würde die einzelnen Eingangsleistungen begrenzen, die Gesamtleistung aufsummieren und dies mit guter Genauigkeit und einem hohen Wirkungsgrad kombinieren. Im Zentrum der in Bild 2 gezeigten Lösung steht die Messung von Strom und Spannung am Eingang.

Vereinfachte Darstellung einer Architektur mit eingangsseitiger Leistungsaufteilung und Leistungsbegrenzung
Bild 2. Vereinfachte Darstellung einer Architektur mit eingangsseitiger Leistungsaufteilung und Leistungsbegrenzung.
© Texas Instruments

Dargestellt ist ein System mit zwei Einspeisungen, jedoch kommt das Konzept in gleicher Form für eine beliebige Zahl von Eingangskanälen infrage. Jeder der beiden Wandler trägt zur insgesamt abgegebenen Leistung bei, wobei sich jeder einzelne Wandler an seine individuelle Obergrenze hält. Eine gemeinsame Reglerstufe mit einem Doppel-Optokoppler zu verwenden, vorzugsweise mit einer begrenzten Differenz der Gleichstrom-Übertragungsverhältnisse (Current Transfer Ratio, CTR), ist eine sinnvolle Wahl, wenn eine »gute« Leistungsaufteilung gefordert ist, bis eine der Wandlerstufen an ihre Leistungsgrenze gerät.

Das Signal PLIM Control wird in der Regel vom PD vorgegeben und entspricht der Leistung, die dem PD während der Physical-Layer-Klassifizierung vom PSE zugewiesen wurde. PLIM Control dient hier zum Kontrollieren der maximal zulässigen Eingangsleistung der Gleichspannungswandlerstufe.

Konzept der Leistungsbegrenzung
Bild 3: Konzept der Leistungsbegrenzung.
© Texas Instruments

Bild 3 bietet einen genaueren Einblick in die Funktionsweise dieses Konzepts. Dem Summierglied wird das durchschnittliche Eingangsstromsignal und ein weiteres Signal zugeführt, das proportional zur Eingangsspannung ist. VREF lässt sich gemäß der eingestellten Grenzleistung variieren. Ist diese Grenze erreicht, wird der Ausgang des Leistungsbegrenzungs-Komparators (COMP) heruntergeregelt, damit die Leistung den Grenzwert nicht überschreitet. Zu beachten ist, dass das Erreichen der Grenzleistung nur die Stromregelung beeinflusst, während sich COMP nicht auf die Spannungsregelung auswirkt.

Die Leistungsbegrenzung bedingt, dass die Leistungsmessung in der Nähe des Grenzwerts präzise erfolgen muss. Solange man im Betrieb noch weit von diesem Punkt entfernt ist, wird diese Präzision dagegen nicht benötigt. Durch mathematische Analysen lässt sich ermitteln, dass die Genauigkeit vom Eingangsspannungsbereich abhängt. Wie sich zeigt, ergibt ein Variieren der Eingangsspannung in einem Bereich von 42,5 V bis 57 V einen Fehler von unter ±1,5 %. Variiert die Eingangsspannung zwischen 37 V und 57 V, ist der entstehende Fehler kleiner als ±2,5 %.

 Prognosen für die Leistungsbegrenzung
Bild 4: Prognosen für die Leistungsbegrenzung.
© Texas Instruments

Bild 4 illustriert diese mathematischen Prognosen unter Annahme der Maximaleinstellungen für die drei Leistungskategorien (Typ 1, 2 und 3) von 13 W, 25,5 W und 51 W. In realen Implementierungen ist es ebenfalls wichtig, etwaige Fehler einzukalkulieren und einen gewissen Spielraum zu lassen, während gleichzeitig die Spezifikationen der Normen IEEE 802.3at oder 802.3bt eingehalten werden.

Für das Gesamtsystem besteht einer der Vorteile darin, dass der Wirkungsgrad der einzelnen Stromversorgungen die Genauigkeit der Leistungsbegrenzung nicht beeinflussen, wenn die Leistung am Eingang gemessen wird. Außerdem ist kein zusätzlicher Strommesswiderstand (Shunt) nötig. Da die Leistungsbegrenzung auf dem durchschnittlichen Strom (und nicht auf dem Scheitelwert) beruht, ist ihre Genauigkeit unabhängig von Stromversorgungsparametern wie der Magnetisierungs- und der Streuinduktivität sowie von Schwankungen der Schaltfrequenz.


  1. Leistung gerecht geteilt
  2. Leistungsbegrenzung implementieren

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