Томас Бранд (Thomas Brand) Перевод и дополнения: Владимир Рентюк
Технология PoE: питание сетевых устройств через линии передачи данных.
Статья опубликована в журнале КиТ №5 2020 г.
В системах автоматизации процессов необходимо контролировать и измерять важные параметры, такие как температура, давление, расход жидкостей и материалов, влажность, и многие другие. В эпоху «Индустрии 4.0» для реализации этой потребности наиболее популярным стандартом связи становится технология организации локальных сетей Ethernet. Поскольку Ethernet является проводным, а передатчикам и датчикам обычно требуется источник питания, возникает вопрос: почему бы не использовать кабель Ethernet как для передачи данных, так и для питания?
В статье описано, как устройства Ethernet могут использовать кабель одновременно для передачи данных и для подачи питания. Такие системы, получившие название Power over Ethernet (PoE), то есть питание через Ethernet, широко распространены в промышленности и несомненно будут играть важную роль и в дальнейшем. Оригинал статьи доступен по ссылке [1].
Стандарты PoE
Подача питания через кабель Cat‑5 (кабель категории 5 — тип кабеля для передачи сигналов, состоящий из четырех витых пар, используется в структурированных кабельных системах для компьютерных сетей), происходит по технологии PoE и определяется разработанным в 2003 году оригинальным стандартом IEEE 802.3af Power over Ethernet. Однако со временем стандарты PoE изменялись для удовлетворения растущих потребностей питаемых устройств (PD) в электропитании. Если IEEE 802.3af обеспечивал подачу электропитания постоянного тока мощностью до 13 Вт на каждое устройство, то обновленный в 2009 году стандарт IEEE 802.3at, также известный как PoE Plus (PoE+), обеспечивает электрическую мощность до 25,5 Вт.
А стандарт IEEE 802.3bt, или PoE++ (четырехпарная система Power over Ethernet), с использованием всех проводов имеющегося кабеля дает мощность питания в диапазоне 70–100 Вт. Параллельно с этим стандартом PoE компания Analog Devices Inc. (далее — ADI) предло‑
жила запатентованный стандарт LTPoE++, который определяет спецификации для питаемых конечных устройств с мощностью до 90 Вт.(таблица).
С принятием стандарта IEEE 802.3bt сегодня существует девять воз‑
можных классов мощности для четырех классов источников PSE. Для
распознавания требований и возможностей электропитания между
источниками PSE и устройствами PD используются различные схемы
установления связи и согласования.
Преимущества LTPoE++ в том, что это решение от компании ADI
по сравнению с сопоставимыми вариантами снижает техническую
сложность системы PoE. Возможности plug & play («включай и рабо‑
тай»), простота реализации и надежный источник питания — еще одна
особенность LTPoE++. Кроме того, LTPoE++ совместим, в том числе
и обратно, со стандартными спецификациями PoE от IEEE. Однако
в любом случае необходимо учитывать, что фактически используемая
мощность несколько ниже указанной мощности PD из-за потерь в си‑
стеме, а также из-за потерь в кабеле, как в случае PoE+ и PoE++.
В статье описано, как устройства Ethernet могут использовать кабель одновременно для передачи данных и для подачи питания. Такие системы, получившие название Power over Ethernet (PoE), то есть питание через Ethernet, широко распространены в промышленности и несомненно будут играть важную роль и в дальнейшем. Оригинал статьи доступен по ссылке [1].
Стандарты PoE
Подача питания через кабель Cat‑5 (кабель категории 5 — тип кабеля для передачи сигналов, состоящий из четырех витых пар, используется в структурированных кабельных системах для компьютерных сетей), происходит по технологии PoE и определяется разработанным в 2003 году оригинальным стандартом IEEE 802.3af Power over Ethernet. Однако со временем стандарты PoE изменялись для удовлетворения растущих потребностей питаемых устройств (PD) в электропитании. Если IEEE 802.3af обеспечивал подачу электропитания постоянного тока мощностью до 13 Вт на каждое устройство, то обновленный в 2009 году стандарт IEEE 802.3at, также известный как PoE Plus (PoE+), обеспечивает электрическую мощность до 25,5 Вт.
А стандарт IEEE 802.3bt, или PoE++ (четырехпарная система Power over Ethernet), с использованием всех проводов имеющегося кабеля дает мощность питания в диапазоне 70–100 Вт. Параллельно с этим стандартом PoE компания Analog Devices Inc. (далее — ADI) предло‑
жила запатентованный стандарт LTPoE++, который определяет спецификации для питаемых конечных устройств с мощностью до 90 Вт.(таблица).
С принятием стандарта IEEE 802.3bt сегодня существует девять воз‑
можных классов мощности для четырех классов источников PSE. Для
распознавания требований и возможностей электропитания между
источниками PSE и устройствами PD используются различные схемы
установления связи и согласования.
Преимущества LTPoE++ в том, что это решение от компании ADI
по сравнению с сопоставимыми вариантами снижает техническую
сложность системы PoE. Возможности plug & play («включай и рабо‑
тай»), простота реализации и надежный источник питания — еще одна
особенность LTPoE++. Кроме того, LTPoE++ совместим, в том числе
и обратно, со стандартными спецификациями PoE от IEEE. Однако
в любом случае необходимо учитывать, что фактически используемая
мощность несколько ниже указанной мощности PD из-за потерь в си‑
стеме, а также из-за потерь в кабеле, как в случае PoE+ и PoE++.
С принятием стандарта IEEE 802.3bt сегодня существует девять возможных классов мощности для четырех классов источников PSE. Для распознавания требований и возможностей электропитания между источниками PSE и устройствами PD используются различные схемы
установления связи и согласования.
Преимущества LTPoE++ в том, что это решение от компании ADI по сравнению с сопоставимыми вариантами снижает техническую сложность системы PoE. Возможности plug & play («включай и работай»), простота реализации и надежный источник питания — еще одна особенность LTPoE++. Кроме того, LTPoE++ совместим, в том числе и обратно, со стандартными спецификациями PoE от IEEE. Однако в любом случае необходимо учитывать, что фактически используемая мощность несколько ниже указанной мощности PD из-за потерь в системе, а также из-за потерь в кабеле, как в случае PoE+ и PoE++.
Компоненты PoE
По сути, для питания устройств через Ethernet-кабель необходимы два компонента (рис. 1): устройство, которое способно принять питание с линии (PD), и непосредственно само питающее оборудование (PSE).
установления связи и согласования.
Преимущества LTPoE++ в том, что это решение от компании ADI по сравнению с сопоставимыми вариантами снижает техническую сложность системы PoE. Возможности plug & play («включай и работай»), простота реализации и надежный источник питания — еще одна особенность LTPoE++. Кроме того, LTPoE++ совместим, в том числе и обратно, со стандартными спецификациями PoE от IEEE. Однако в любом случае необходимо учитывать, что фактически используемая мощность несколько ниже указанной мощности PD из-за потерь в системе, а также из-за потерь в кабеле, как в случае PoE+ и PoE++.
Компоненты PoE
По сути, для питания устройств через Ethernet-кабель необходимы два компонента (рис. 1): устройство, которое способно принять питание с линии (PD), и непосредственно само питающее оборудование (PSE).
Рис. 1. Блок-схема, показывающая основные компоненты системы PoE
Задача PSE состоит в том, чтобы доставлять энергию на источник питания, тогда как PD получает питание и использует его, являясь нагрузкой по отношению к PSE. Для защиты несовместимых
устройств от повреждения при подключении устройства PSE при включении питания используют и выполняют алгоритм определения или подписи. Это алгоритм предусматривает сначала проверку подписи через сопротивления PD. Питание на PD подается только в том случае, если это значение соответствует требованию стандарта PoE — 25 кОм (тип.). Если PSE обнаруживает PD, то начинает процесс классификации, определяя требования к классу питания подключенного
устройства. Для этого PSE подает определенное напряжение и измеряет результирующий ток как отклик. PD назначается классу мощности на основе уровня тока классификации. Полное напряжение и ток будут поданы, только если весь алгоритм прошел и получен соответствующий отклик. Как только PD подключается к источнику питания, он выполняет задачу преобразования напряжения PoE –48 В (тип.) в напряжение питания, подходящее для конечных устройств. Для этих целей в типовых конструкциях PD используется дополнительный преобразователь постоянного тока (контроллер диодного моста). Его задача состоит в том, чтобы отрегулировать или удовлетворить требования к питанию компонентов, поставляемых PD. Более современные микросхемы для заданных классов малой мощности уже предлагают возможность интеграции интерфейса и преобразователя постоянного тока в один компонент, что значительно упрощает реализацию конечного приложения. Циклограмма режима включения представлена на рис. 2.
устройств от повреждения при подключении устройства PSE при включении питания используют и выполняют алгоритм определения или подписи. Это алгоритм предусматривает сначала проверку подписи через сопротивления PD. Питание на PD подается только в том случае, если это значение соответствует требованию стандарта PoE — 25 кОм (тип.). Если PSE обнаруживает PD, то начинает процесс классификации, определяя требования к классу питания подключенного
устройства. Для этого PSE подает определенное напряжение и измеряет результирующий ток как отклик. PD назначается классу мощности на основе уровня тока классификации. Полное напряжение и ток будут поданы, только если весь алгоритм прошел и получен соответствующий отклик. Как только PD подключается к источнику питания, он выполняет задачу преобразования напряжения PoE –48 В (тип.) в напряжение питания, подходящее для конечных устройств. Для этих целей в типовых конструкциях PD используется дополнительный преобразователь постоянного тока (контроллер диодного моста). Его задача состоит в том, чтобы отрегулировать или удовлетворить требования к питанию компонентов, поставляемых PD. Более современные микросхемы для заданных классов малой мощности уже предлагают возможность интеграции интерфейса и преобразователя постоянного тока в один компонент, что значительно упрощает реализацию конечного приложения. Циклограмма режима включения представлена на рис. 2.
Рис. 2. Циклограмма процедуры подачи и отключения питания по технологии PoE
Еще один важный момент в том, что поскольку PD на своих входах Ethernet в соответствии со спецификациями IEEE 802.3 PoE должны принимать рабочее напряжение постоянного тока любой полярности, то перед входами PD требуется два диодных моста. Таким образом, PD будет работать с напряжением обратной полярности независимо от используемой пары проводов.
Реализация PD стала проще
С внедрением в производство компанией ADI контроллера LT4276 [2] для разработчиков систем PoE появился коммерчески доступный контроллер PD, совместимый с LTPoE++, PoE+ и PoE, с уже встроенным изолированным импульсным DC/DC-преобразователем напряжения с функцией его стабилизации. Контроллер LT4276 может работать в прямоходовой и обратноходовой архитектуре преобразования мощности, а также выполнять функцию управления синхронного выпрямителя для классов мощности PoE в диапазоне 2–90 Вт. В отличие от обычных контроллеров PD более низких классов мощности, которые также имеют встроенные мощные полевые МОП-транзисторы, LT4276 предлагает возможность управления внешним полевым МОП-транзистором. Благодаря этому PD уменьшает собственные потери и увеличивает эффективность (в общем случае — КПД) своей системы питания.
Поскольку спецификации Ethernet IEEE 802.3 требуют гальванической изоляции от заземления корпуса устройства, в качестве PSE подходит набор микросхем контроллера PoE — LTC4290/LTC4271 [3, 4]. Микросхема LTC4271 представляет цифровой интерфейс с хостом PSE на неизолированной стороне, тогда как LTC4290 предлагает интерфейс Ethernet на изолированной стороне. Два компонента соединены простым передатчиком Ethernet. Благодаря надежной кон‑
струкции этого набора микросхем в PSE можно избежать установки дополнительных компонентов для формирования изолированного источника питания (рис. 3).
Реализация PD стала проще
С внедрением в производство компанией ADI контроллера LT4276 [2] для разработчиков систем PoE появился коммерчески доступный контроллер PD, совместимый с LTPoE++, PoE+ и PoE, с уже встроенным изолированным импульсным DC/DC-преобразователем напряжения с функцией его стабилизации. Контроллер LT4276 может работать в прямоходовой и обратноходовой архитектуре преобразования мощности, а также выполнять функцию управления синхронного выпрямителя для классов мощности PoE в диапазоне 2–90 Вт. В отличие от обычных контроллеров PD более низких классов мощности, которые также имеют встроенные мощные полевые МОП-транзисторы, LT4276 предлагает возможность управления внешним полевым МОП-транзистором. Благодаря этому PD уменьшает собственные потери и увеличивает эффективность (в общем случае — КПД) своей системы питания.
Поскольку спецификации Ethernet IEEE 802.3 требуют гальванической изоляции от заземления корпуса устройства, в качестве PSE подходит набор микросхем контроллера PoE — LTC4290/LTC4271 [3, 4]. Микросхема LTC4271 представляет цифровой интерфейс с хостом PSE на неизолированной стороне, тогда как LTC4290 предлагает интерфейс Ethernet на изолированной стороне. Два компонента соединены простым передатчиком Ethernet. Благодаря надежной кон‑
струкции этого набора микросхем в PSE можно избежать установки дополнительных компонентов для формирования изолированного источника питания (рис. 3).
Рис. 3. Пример практической реализации схемы PoE
Увеличение мощности и оптимизация КПД всей системы PoE могут быть достигнуты, если заменить два диода мостового выпрямителя на стороне PD идеальными диодами. Поэтому здесь используются МОП-транзисторы, которые управляются таким образом, что они работают как обычные диоды. Благодаря этому из-за низкого сопротивления канала МОП-транзисторов RDS(ON) прямое падение напряжение на мосте может быть резко снижено. С контроллером
идеального диодного моста LT4321 [5] в сочетании с контроллером LT4295 [6] в PD можно управлять четырьмя полевыми транзисторами в полной мостовой конфигурации (рис. 4).
идеального диодного моста LT4321 [5] в сочетании с контроллером LT4295 [6] в PD можно управлять четырьмя полевыми транзисторами в полной мостовой конфигурации (рис. 4).
Рис. 4. Реализация диодного выпрямления и управление через контроллер диодного моста
С помощью технологии PoE устройства Ethernet могут получать питание одновременно с фактической передачей данных по кабелю RJ‑45. Для облегчения имплементации данной технологии компания Analog Devices разработала параллельно с традиционными стандартами PoE собственный проприетарный стандарт LTPoE++, который поддерживает мощность до 90 Вт и предлагает надежное комплексное PoE-решение высокой мощности, способное упростить блок питания и общую реализацию системы.
Новое портфолио Chronous — это портфолио компании ADI для инновационных продуктов Industrial Ethernet (промышленный Ethernet), предлагающее коммутаторы Ethernet, устройства
физического уровня (PHY) и продукты для обработки протоколов в реальном времени, а также полностью готовые продукты для сетевого интерфейса. Портфель Chronous был недавно расширен с выпуском компанией ADI двух новых надежных устройств физического уровня — приемопередатчиков сети промышленного Ethernet. Это ADIN1300 [7] с малыми задержками и малым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных 10, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, и ADIN1200 [8] с малым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с. Комбинируя обе новые микросхемы с технологией PoE от компании ADI и используя портфель Chronous, можно создавать лучшие в своем классе решения системного уровня как для питания, так и для передачи данных. n
Литература
1. Brand T. Power Over Ethernet — Supply of Ethernet Devices Via Data Lines.
Analog Devices, Inc., 2020.
https://www.analog.com/ru/technical-articles/power-over-ethernet-supply-of-ethernet-devices-via-data-lines.html#
2. LT4276 LTPoE++/PoE+/PoE PD Forward/Flyback Controller.
www.analog.com/ru/products/lt4276.html
3. LTC4290 8‑Port PoE/PoE+/LTPoE++ PSE Analog Controller.
www.analog.com/ru/products/ltc4290.html#product-ov...
4. LTC4271 PoE/PoE+/LTPoE++ PSE Digital Controller.
www.analog.com/ru/products/ltc4271.html
5. LT4321 PoE Ideal Diode Bridge Controller.
www.analog.com/ru/products/lt4321.html
6. LT4295 IEEE 802.3bt PD Interface with Forward/Flyback Controller.
www.analog.com/ru/products/lt4295.html#product-ove...
7. ADIN1300 PHY-приемопередатчик сети промышленного Ethernet с малыми
задержками и малым энергопотреблением, поддерживающий скорости
передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с.
www.analog.com/ru/products/adin1300.html
8. ADIN1200 PHY-приемопередатчик сети промышленного Ethernet с ма‑
лым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных
10 Мбит/с и 100 Мбит/с. www.analog.com/ru/products/adin1200.html
Новое портфолио Chronous — это портфолио компании ADI для инновационных продуктов Industrial Ethernet (промышленный Ethernet), предлагающее коммутаторы Ethernet, устройства
физического уровня (PHY) и продукты для обработки протоколов в реальном времени, а также полностью готовые продукты для сетевого интерфейса. Портфель Chronous был недавно расширен с выпуском компанией ADI двух новых надежных устройств физического уровня — приемопередатчиков сети промышленного Ethernet. Это ADIN1300 [7] с малыми задержками и малым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных 10, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, и ADIN1200 [8] с малым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с. Комбинируя обе новые микросхемы с технологией PoE от компании ADI и используя портфель Chronous, можно создавать лучшие в своем классе решения системного уровня как для питания, так и для передачи данных. n
Литература
1. Brand T. Power Over Ethernet — Supply of Ethernet Devices Via Data Lines.
Analog Devices, Inc., 2020.
https://www.analog.com/ru/technical-articles/power-over-ethernet-supply-of-ethernet-devices-via-data-lines.html#
2. LT4276 LTPoE++/PoE+/PoE PD Forward/Flyback Controller.
www.analog.com/ru/products/lt4276.html
3. LTC4290 8‑Port PoE/PoE+/LTPoE++ PSE Analog Controller.
www.analog.com/ru/products/ltc4290.html#product-ov...
4. LTC4271 PoE/PoE+/LTPoE++ PSE Digital Controller.
www.analog.com/ru/products/ltc4271.html
5. LT4321 PoE Ideal Diode Bridge Controller.
www.analog.com/ru/products/lt4321.html
6. LT4295 IEEE 802.3bt PD Interface with Forward/Flyback Controller.
www.analog.com/ru/products/lt4295.html#product-ove...
7. ADIN1300 PHY-приемопередатчик сети промышленного Ethernet с малыми
задержками и малым энергопотреблением, поддерживающий скорости
передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с.
www.analog.com/ru/products/adin1300.html
8. ADIN1200 PHY-приемопередатчик сети промышленного Ethernet с ма‑
лым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных
10 Мбит/с и 100 Мбит/с. www.analog.com/ru/products/adin1200.html