Технология PoE (Power over Ethernet – питание через Ethernet) завоевывает все большую популярность благодаря гибкости и экономически эффективной передаче питания и данных по одному Ethernet-кабелю. Такой метод позволяет устанавливать оборудование практически в любом месте независимо от сети переменного тока и, следовательно, исключает необходимость в разводке питания. Первоначальная спецификация для PoE IEEE 802.3af ограничивала мощность, подводимую к устройству, величиной всего 13 Вт, что сужало спектр возможных применений этой технологии такими приложениями как IP-телефоны и IP-видеокамеры для систем безопасности. В 2009 г. в спецификации IEEE 802.3at доступная мощность была увеличена до 25,5 Вт. Однако этого было все же недостаточно для удовлетворения растущего спроса на энергоемкие PoE-приложения, такие как пикосотовые модули, беспроводные точки доступа, светодиодные указатели и, что наиболее актуально для российского рынка, обогреваемые уличные видеокамеры с приводом наклона/ поворота и увеличительным объективом (PTZ-видеокамеры). В 2011 г. компания Linear Technology представила новый фирменный стандарт LTPoE++, который расширяет спецификации PoE и PoE+ до 90 Вт передаваемой мощности, обеспечивая 100-% функциональную совместимость с PoE-стандартами IEEE. LTPoE++ обеспечивает безопасное и надежное plug-n-play-решение, которое резко снижает сложность проектирования питающего оборудования (power sourcing equipment, PSE) и питаемых устройств (powered devices, PD). Преимущество LTPoE++ перед другими топологиями состоит в том, что для передачи 90 Вт мощности по четырем парам кабеля категории CAT5e необходима только одна пара PSE и PD, что дает значительный выигрыш с точки зрения занимаемого пространства, стоимости и времени разработки. Доступно четыре уровня мощности (38,7; 52,7; 70 и 90 Вт), что позволяет выбирать мощность источника питания в соответствии с требованиями приложения.

Рисунок 1

Рисунок 2

Как работает PoE?

Обнаружение питаемого устройства

Конфигурация типовой PoE-системы показана на рисунке 1. Перед тем как дать возможность PSE-устройству подать питание на линию, следует проверить ее сигнатурное сопротивление в соответствие со спецификацией IEEE с помощью тестового источника с ограниченной мощностью. Считается, что величина входного сопротивления питаемого устройства (PD) должна быть близка к 25 кОм ±5% с параллельно подключенным конденсатором емкостью не более 120 нФ. В свою очередь, питающее устройство должно обеспечивать несколько более широкий диапазон входных сопротивлений 19–26,5 кОм с учетом паразитных последовательных и параллельных сопротивлений в системе (см. рис. 2). Питающее устройство должно отклонять все сопротивления линии ниже 15 кОм или выше 33 кОм либо емкость на своих выводах более 10 мкФ. Допускается, чтобы на сигнатурном импедансе питаемого устройства присутствовало напряжение смещения до 1,9 В (которое, как правило, вызывается наличием двух последовательно включенных диодов) и смещение тока до 10 мкА (которое, как правило, возникает вследствие утечки в PD). Эти условия осложняют для PSE измерение сопротивления, поскольку одноточечные вольтамперные измерения не учитывают эти погрешности. В результате, для PSE требуются, по крайней мере, две точки измерения напряжения тока с минимальным интервалом в 1 В на питаемом устройстве. Затем необходимо определить разницу между двумя точками, чтобы найти истинное сопротивление, исключив смещение напряжения и тока. Поскольку кабель типа CAT- 5, как правило, разводят на потолке, стенах и других местах, где также проходят провода сети переменного тока, возможны значительные помехи на частоте 50/60 Гц. PSE-контроллеры компании Linear Technology решают эту проблему путем использования фирменного метода двухрежимного четырехточечного детектирования, который гарантирует максимальную помехоустойчивость при обнаружении PD.

Классификация питаемых устройств

Сразу после того как PSE-устройство успешно обнаружит питаемое устройство, оно выполняет классификацию PD. PSE должно отслеживать, сколько подключено PD и каков уровень потребляемой ими мощности, а также отключать PD, если их потребляемая мощность превышает уровень, присвоенный при классификации. Этот уровень проверяется путем подачи на PD напряжения 14,5–20 В и измерения тока, потребляемого PD. PSE использует измеренную величину тока для определения того, к какому классу относится PD. В стандарте LTPoE++ используется трехэтапная классификация, что обеспечивает взаимное подтверждение связи между PSE и PD, поддерживая при этом обратную совместимость со стандартом IEEE 802.3at. PSE, совместимое с LTPoE++, определяет в соответствии с откликом PD, относится ли PD к типу 1 (PoE), типу 2 (PoE+) или является устройством, совместимым с LTPoE++. Питающее устройство, совместимое с LTPoE++, использует результат трехэтапной классификации для обновления пороговых значений токов ICUT и ILIM. PSE использует пороговое значение ICUT для контроля тока, потребляемого PD. Величина ILIM используется в качестве предельного значения для защиты источника питания PSE во время отказов. С другой стороны, питаемое устройство, совместимое с LTPoE++, использует полученное число классификационных этапов для определения того, к какому типу PSE оно подключено: типа 1, 2 или LTPoE++. Если питающее устройство типа LTPoE++ во время первого этапа классификации определяет, что питаемое устройство относится по току потребления к классу 0, 1, 2 или 3, это питающее устройство подаст питание на порт как устройство типа 1. Если на первом этапе классификации определено, что питаемое устройство по потребляемому току относится к классу 4, то PSE типа LTPoE++ перейдет на второй этап классификации в соответствии со спецификацией PoE+. Питаемое устройство оповещается о том, что оно подсоединено к питающему устройству либо типа 2, либо типа LTPoE++. Отсутствие второго классификационного этапа говорит о том, что питаемое устройство подсоединено к питающему устройству типа 1, что ограничивает доступную мощность типом 1. Классификация физического уровня питаемого устройства по типу 2 определяется стандартом IEEE на основе двух последовательных результатов, отвечающих классу 4. Питаемое устройство, соответствующее спецификации LTPoE++, должно также демонстрировать два последовательных результата класса 4 на первом и втором этапах классификации, что делает питаемое устройство LTPoE++ похожим на устройство типа 2 для питающего устройства типа 2. Питающее устройство типа LTPoE++ переходит к третьему этапу классификации после корректных измерений по классу 4 на первом и втором этапах классификации. После двух успешных измерений по классу 4 выполняется третий этап классификации. Он должен изменить класс на другой класс, отличный от четвертого, чтобы определить возможность работы питаемого устройства по спецификации LTPoE++. Питаемое устройство, которое поддерживает класс 4 во время третьего этапа классификации, рассматривается питающим устройством LTPoE++ как питаемое устройство типа 2. Стандарт IEEE 802.3at требует, чтобы соответствующие типу 2 питаемые устройства повторяли результаты по классу 4 для всех этапов классификации. Третий этап классификации информирует питаемое устройство LTPoE++ о том, что оно подключено к питающему устройству типа LTPoE++. В таблице 1 представлены этапы классификации для различных уровней мощности питаемого устройства.

отключение постоянного тока Помимо того, что питающее устройство должно передавать питание на соответствующее устройство PD, оно также не должно оставлять питание включенным после отключения PD, поскольку питающий кабель может быть затем подключен к устройству, которое не ожидает подачи питания. В спецификации LTPoE++ используется метод отключения постоянного тока, при котором определяется отсутствие PD на основе величины постоянного тока, протекающего из PSE в PD. Когда ток оказывается ниже пороговой величины IMIN (в диапазоне 5 мА…10 мА) для данного момента времени tDIS (300– 400 мс), питающее устройство считает, что PD отсутствует и отключает питание.

Рисунок 3

Таблица 1. Классификация LTPoE++

Таблица 2. Потребляемая мощность и эффективность контроллера LT4321 по типам PoE

Когда ясна полная картина

Как только устройство PSE успешно детектирует и классифицирует питаемое устройство, принимается решение о необходимости подачи на него питания. Если мощности на питающем устройстве достаточно для питаемого устройства, PSE включает PD и начинает мониторинг порта, устанавливая, когда следует отключить постоянный ток. Путем детектирования это устройство узнает о подключенном к порту PD, а процедура классификации позволяет определить мощность потребления PD. Благодаря этой информации PSE может распределять ресурсы источника питания. Метод отключения постоянного тока позволяет информировать PSE о том, что PD все еще подключено и работает нормально. Питаемое устройство, в свою очередь, имеет возможность непосредственно сообщать PSE, что собой представляет это устройство, какую мощность оно потребляет, а также требуется ли ему питание. Все это происходит без какоголибо влияния на передачу данных по кабелю. Одной важной особенностью LTPoE++ является то, что эта спецификация не требует использования протокола канального уровня Link Layer Discovery Protocol (LLDP), который был введен в спецификации IEEE PoE+ для согласования мощности на программном уровне. Протокол LLDP нуждается в расширении до стандартных стеков Ethernet, что может потребовать серьезных усилий при разработке программного обеспечения. Питающие и питаемые устройства типа LTPoE++ автономно согласовывают все требования и свои возможности по доступному уровню мощности на аппаратном уровне, оставаясь в то же время полностью совместимыми с системами, работающими на базе протокола LLDP. Это позволяет разработчикам систем на базе LTPoE++ выбрать, реализовывать протокол LLDP или нет. Фирменные системы со сквозным каналом могут выбрать отказ от поддержки LLDP. Это создает преимущества по скорости вывода изделия на рынок, одновременно сокращая стоимость комплектующих, размеры печатной платы и сложность решения.

Значение энергоэффективности

Недавно компания Linear Technology выпустила контроллер идеального диодного моста LT4321 для PoE- систем. LT4321 позволяет заменить два мостовых выпрямителя, которые требуются для коррекции полярности на входе контроллера питаемого устройства PoE-системы мостами на базе n-канальных MOSFET с малыми потерями для повышения величины доступной мощности и снижения рассеиваемого тепла. Сложность системы и ее стоимость может быть существенно снижена, поскольку повышенная энергоэффективность решения на базе LT4321 устраняет необходимость в отводе тепла. Контроллер LT4321 совместим со стандартом IEEE 802.3; его ток смещения не влияет на процесс детектирования и классификации. Таким образом, можно достичь 10-кратного и более повышения энергоэффективности. В таблице 2 приведены данные по потребляемой мощности и эффективности, соответствующие реализации PoE-системы на базе LT4321 вместо обычного диодного моста. Более высокая энергоэффективность LTPoE++, в конечном итоге, транслируется в ряд важных преимуществ для конечных приложений и потребителей. Наиболее очевидным преимуществом является то, что дополнительную мощность к нагрузке можно использовать для реализации более широкого функционала изделия, т.е. тех функций, которые были бы в других условиях недоступными, особенно при малой потребляемой мощности, когда каждый Вт мощности может кардинально изменить ситуацию. Верно и обратное: требование питаемого устройства оставаться ниже уровня энергопотребления, определенного при классификации, или доступность питающего устройства можно проще реализовать без ухудшения функционала изделия. В результате заказчики получают возможность обеспечить меньший уровень энергопотребления и сократить стоимость покупки и эксплуатации, что дает им конкурентные преимущества. При реализации PoE-систем управление тепловыми режимами является особенно важной задачей, поскольку обычно заказчику требуется весьма компактное решение, однако достаточно крупные и дорогие радиаторы его усложняют. Эффективное решение на базе LTPoE++ снижает требования по отводу тепла и позволяет реализовать изделие меньшего размера. На рисунке 3 представлено тепловое изображение демонстрационной платы 90-Вт питаемого устройства на базе спецификации LTPoE++ (DC2093A-A), которая демонстрирует повышение рабочей температуры всего на 35°C относительно комнатной за счет применения MOSFET с малым RDS(ON), управляемых контроллером мостового выпрямителя LT4321 и PD-контроллером LT4275. На рисунке 4 показана электрическая схема этого решения. недоступными, особенно при малой потребляемой мощности, когда каждый Вт мощности может кардинально изменить ситуацию. Верно и обратное: требование питаемого устройства оставаться ниже уровня энергопотребления, определенного при классификации, или доступность питающего устройства можно проще реализовать без ухудшения функционала изделия. В результате заказчики получают возможность обеспечить меньший уровень энергопотребления и сократить стоимость покупки и эксплуатации, что дает им конкурентные преимущества. При реализации PoE-систем управление тепловыми режимами является особенно важной задачей, поскольку обычно заказчику требуется весьма компактное решение, однако достаточно крупные и дорогие радиаторы его усложняют. Эффективное решение на базе LTPoE++ снижает требования по отводу тепла и позволяет реализовать изделие меньшего размера. На рисунке 3 представлено тепловое изображение демонстрационной платы 90-Вт питаемого устройства на базе спецификации LTPoE++ (DC2093A-A), которая демонстрирует повышение рабочей температуры всего на 35°C относительно комнатной за счет применения MOSFET с малым RDS(ON), управляемых контроллером мостового выпрямителя LT4321 и PD-контроллером LT4275. На рисунке 4 показана электрическая схема этого решения.

Рисунок 4

PLUG-N-PLAY-решение на базе стандарта LTPOE++

Компания Linear Technology предлагает 1-, 4-, 8- и 12-портовые PSE- контроллеры для LTPoE++-систем с минимальной в отрасли потребляемой мощностью, надежной защитой от статического электричества и разряда при подключении кабеля, малым числом компонентов и экономически эффективным схемным решением. При совместном использовании PD-контроллера LT4275 и PoE-контроллера идеальных диодов LT4321 полная plug-n-play-система LTPoE++ (не требующая программного обеспечения на базе протокола LLDP) способна передавать мощность до 90 Вт, обеспечивая полную совместимость со стандартами PoE+ и PoE. Законченное решение использует внешние n-канальные MOSFET с малым сопротивлением RDS(ON) для радикального снижения общей величины рассеиваемого питаемым устройством тепла и максимального повышения энергоэффективности, что имеет большое значение на всех уровнях потребляемой мощности. Высокие номинальные значения параметров на всех аналоговых выводах и эффективная защита от разряда при подключении кабеля гарантируют высокий уровень защиты от паразитных выбросов в линии Ethernet. Таким образом, LTPoE++-системы упрощают подачу питания, что дает возможность разработчикам сосредоточить усилия на ключевых приложениях. Дополнительную информацию о контроллерах LTPoE++.