Розробіть пристрій PoE-PD для новин IoT Electronics
Пристрої, підключені до Інтернету, покладаються на дві основні функції: лінію зв'язку та джерело живлення. З пристроями IoT (Інтернет речей) регулярно виникають три основні проблеми: енергетика, зв'язок та безпека.
Бездротові технології, як і WiFi, роками привертають увагу, але вони стикаються з усіма трьома проблемами. Бездротові пристрої, що працюють від акумулятора, повинні регулярно заряджатися, а WiFi страждає від насичення своїх діапазонів частот. Сьогодні це дві загальні проблеми. Вищі потреби в енергії вимагають підключення до електромережі, що робить речі більш складними та обмежує точки встановлення.
Технологія Power over Ethernet (PoE) вирішує ці проблеми, забезпечуючи гнучкість, надійність, безпеку та потужність через існуючу інфраструктуру Ethernet. Стандарт PoE зазнав надзвичайного зростання з моменту його першої публікації IEEE в 2003 році. Його остання версія - це стандарт IEEE 802.3bt, що робить PoE серйозним гравцем на ринку, оскільки він сумісний зі стандартом 10G-BASE. -T та може передавати потужність від 60 Вт до 90 Вт по одному кабелю Cat5/Cat6.
Збільшення потужності
Спочатку обладнання 1 типу джерела живлення (PSE) могло забезпечити лише 15,4 Вт, Тип 2 подвоїв цю потужність, досягнувши 30 Вт. Тепер Тип 3 і Тип 4, запущені у вересні 2018 року, досягають відповідно 60 Вт і 90 Вт. Це відкриває двері для світ пристроїв, які можна підключити до Інтернету, включаючи бездротові або стільникові базові станції, PTZ (Pan-Tilt-Zoom) камери або куполи, підключені телевізори, а також екрани та інтерактивні інформаційні кіоски. Один кабель, що поєднує в собі низьковольтну потужність та спеціальний високошвидкісний зв’язок, означає менше проводки, що ідеально підходить для обслуговування та монтажу підключених будинків для IoT та IIoT (промисловий IoT).
Потужність через Ethernet - це дротова система розподілу та зв'язку, яка дозволяє використовувати існуючі мережі Ethernet для живлення терміналів. У такій системі обладнання PSE (обладнання для джерел живлення) забезпечує пристрій PD (пристрій живлення) енергією через восьмипровідний кабель, організований у чотири скручені пари (Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a), підключений до роз'єму RJ45. Пристрій PSE подає на клемну точку напругу до 57 В. Оскільки ця напруга менше 60 В, вона залишається відповідно до директиви SELV (Safety Extra Low Voltage), що робить пристрій електрично безпечним та позбавляє потреби для кваліфікованого електрика або поховання кабелю, що спрощує монтаж та обслуговування. Стандарт обмежує потужність на порт до 90 Вт, що є максимальною потужністю, що передається кабелем Ethernet.
Спочатку запланований на 2017 рік, стандарт постійно оновлювався до офіційного опублікування, щоб забезпечити сумісність із попередніми редакціями. Останнє оновлення специфікації PoE, IEEE 802.3bt, представляє пристрої PSE типу 3 та типу 4 (постачальник енергії) та PD (споживач енергії). Щоб забезпечити високий струм високим, новий стандарт дозволяє дві потужності режими, що використовуються одночасно (режим A і режим B), забезпечуючи живлення чотирьох пар - порівняно лише з двома з типами 1 і 2 - звідси і назва "4 пари" або 4PPOE.
Були додані ще чотири класи, що називаються 5 - 8, з вдосконаленим процесом взаємної ідентифікації та функцією автоматичної класифікації. Це оновлення також передбачає зниження потужності в режимі очікування та підтримку 10G-BASE-T у поєднанні з PoE.
Дизайн за допомогою PoE
При проектуванні PD-пристроїв (що підлягають живленню) слід враховувати ряд характеристик, включаючи режим роботи, а також виявлення та класифікацію PD-пристроїв. Щоб уникнути пошкодження пристроїв, що не є PoE, перед подачею живлення пристрій PSE повинен перевірити, чи підключений пристрій має тип PD. Режим PD виявляється за допомогою дійсного підпису, реалізованого за допомогою резистора 25 кОм всередині пристрою PD. PSE забезпечує дві послідовні напруги (V1 = 2,7 В та V2 = 10,1 В) для виявлення опору та реєструє поточні значення для того, щоб підтвердити чи не мати пристрій PD перед активацією їжі. Малюнок 1 ілюструє фазу виявлення опору при запуску.
Напруга PSE під час стартової фази
Максимальна середня потужність для пристрою PD з одним підписом
Після виявлення пристрою PD та визначення його класу він повинен зберегти свій підпис живлення. Для пристроїв типу 1 і типу 2 мінімальна електрична сигнатура становить 10 мА з робочим циклом 20%. Щоб порт залишався активним, необхідно підтримувати середній струм щонайменше 2,31 мА і, отже, "втрачати". Це відповідає 115 мВт при 50 В, який дуже швидко піднімається із більш широким розгортанням. Для пристроїв типу PD 3 і типу 4 робочий цикл зменшено до 1,875%, в результаті чого менше 10 мВт на пристрій, що на 90% знижується споживана потужність в режимі очікування.
Функція MPS (Maintain Power Signature) суворо потрібна для підключених освітлювальних програм, де в мережі присутня велика кількість пристроїв. Це також необхідно, хоча і менш критично, для постійно активних пристроїв, таких як бездротові посилання, точки доступу Wi-Fi або камери безпеки.
Режими PoE
Розподіл енергії відбувається у трьох режимах: Режим А, Режим В (також відомий як "Альтернатива А" та "Альтернатива Б") та 4 пари. Для стандартів 10BASE-T/100BASE-TX в режимі A живлення подається одночасно на пари 1-2 і 3-6. Режим В забезпечує живлення на резервних парах 4-5 і 7-8. Для додатків, що використовують стандарт 1000BASE-T (4 пари), в режимі A, як і в режимі B, джерело живлення подається одночасно на 4 пари. Напруга загального режиму приймається від середньої точки стандартного трансформатора Ethernet, тоді перетворювач постійного струму забезпечує систему регульованою вихідною напругою.
На рисунку 2 показано розподіл потужності в режимах A і B, для додатків типу 1 і типу 2. На малюнку 3 показано підключення для режиму 4 пари в типах 3 і 4.
Блок живлення PoE у режимах A та B
Щоб увійти
В установках необхідно ретельно продумати електропроводку. Необхідно зробити компроміс між довжиною кабелю та потужністю пристрою, що поставляється, для підвищення ефективності та зменшення ризику пошкодження проводки.
Контролер пристрою PD перетворює і за допомогою додаткового перетворювача постійного струму в постійний струм регулює вхідну напругу на стороні пристрою PD. Діодні мости є економічним рішенням для типових пристроїв PoE. Вони добре підходять для пристроїв з низькою потужністю, але із збільшенням потужності рішення такого типу стає проблематичним. Потужність 25,5 Вт і мінімум 42,5 В через діодний міст протікає струм приблизно 0,6 А. При прямій напрузі 0,7 В на діод потужність, що розсіюється в кожному діоді, становить 420 мВт. Для системи 90 Вт струм зростає до 3,7 А, а потужність, що розсіюється в кожному діоді, зростає до 2,59 Вт.
Четверне рішення MOSFET GreenBridge FDMQ8203
ON Semiconductor також пропонує інтерфейсні контролери PoE-PD для перетворення будь-якого пристрою в PD-пристрій, що живиться відповідно до стандартів 802.3af/at та -3bt. Інтерфейсні контролери NCP1095 та NCP1096 інтегрують усі функції, необхідні для роботи в системі PoE, такі як виявлення, класифікація, функція автокласу та обмеження струму під час фази пуску. Два контролери підтримують до 90 Вт завдяки внутрішньому/зовнішньому прохідному транзистору. Вони також вказують, чи може бути реалізовано коротке автоматичне ведення підпису (MPS). Додаткове визначення потужності дозволяє подавати живлення через PoE або за допомогою адаптера змінного струму.
Оцінювальні дошки NCP1095GEVB та NCP1096GEVB дозволяють конструктору швидко оцінити роботу двох контролерів перед фізичним впровадженням, щоб полегшити проектування. Вони включають активний міст GreenBridge2, роз'єми RJ45 та трансформатор локальної мережі.
Комісія з оцінки NCP1095GEVB/NCP1096GEVB
Висновок
Остання версія стандарту IEEE 802.3bt для живлення через Ethernet (PoE) дозволяє використовувати цю технологію з більш енергоємними пристроями, що відкриває шлях для додатків з високою продуктивністю. Збільшення споживання призводить до нових викликів, які можна вирішити за допомогою рішень PoE-PD від ON Semiconductor, включаючи чотириразові активні мости MOSFET GreenBridge та прості у реалізації контролери PoE-PD. Ці рішення зменшують ризики, пов’язані з новими продуктами, і скорочують час виходу на ринок, роблячи Power over Ethernet серйозним гравцем на ринку Інтернету речей.
Автор: Райлі Бек
Менеджер з маркетингу продуктів в ON Semiconductor