Design von Power over Ethernet-Powered Devices für das IoT

Geräte mit Internet-Anschluss beruhen auf zwei wesentlichen Funktionen: dem Kommunikations-Backhaul und der Stromversorgung. Bei IoT-Geräten kommt noch die Sicherheit hinzu. Drahtlose, also funkbasierte Übertragungstechniken wie WLAN stehen seit Jahren im Mittelpunkt des Geschehens, bringen jedoch drei Herausforderungen mit sich. Funkbasierte batteriebetriebene Geräte müssen regelmäßig aufgeladen werden und WLAN ist in seinen Frequenzbändern gesättigt – beides heute gängige Probleme. Der höhere Strombedarf erfordert zudem einen Netzanschluss, was die Installationspunkte kompliziert macht und begrenzt.

Power over Ethernet (PoE) löst diese Probleme, indem es Flexibilität, Zuverlässigkeit, Sicherheit und eine Stromversorgung über die bestehende Ethernet-Infrastruktur bietet. Seit seiner Einführung durch das IEEE im Jahr 2003 ist PoE sprunghaft gewachsen. Die jüngste Ratifizierung von IEEE 802.3bt macht es zu einem ernsthaften Wettbewerber auf dem Markt und bietet 10G-BASE-T und eine Leistung von 60 bis 90 W über Cat5/Cat6-Kabel.

Mehr Leistung

Bild 1: Signalformen während der Startphase. On Semiconductor

Bild 2: Modus A und Modus B bei der PoE-Leistungsabgabe. Fluke Networks

Bild 3: 4-Paar-PoE-Leistungsabgabe. Fluke Networks

Bild 4: Green-Bridge-Lösung im Vergleich zur Diodenbrücke. On Semiconductor

Bild 5: Quad-MOSFET Green Bridge FDMQ8203. On Semiconductor

Bild 6: Das Evaluierungsboard NCP1095GEVB/NCP1096GEVB. On Semiconductor

Ursprünglich konnte Power Sourcing Equipment (PSE) vom Typ 1 nur bis zu 15,4 W Leistung bereitstellen. Typ 2 verdoppelte diese auf 30 W. Heute bieten Typ 3 und Typ 4, die im September 2018 veröffentlicht wurden, bis zu 60 beziehungsweise 90 W. Dies eröffnet die Welt internetfähiger Geräte, einschließlich Funk- und Mobilfunk-Basisstationen, Pan-Tilt-Zoom-(PTZ-) und Dome-Kameras, Fernsehgeräte, interaktiver Displays und Informationskioske. Ein einziges Low-Voltage-Kabel, das gleichzeitig mit der Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation gekoppelt ist, bedeutet weniger Verkabelung und ist ideal für die intelligente Wartung von Gebäuden, Installationen für das Internet der Dinge (IoT) und für das industrielle Internet der Dinge (IIoT).

Power over Ethernet ist ein kabelgebundenes Kommunikations- und Stromversorgungssystem, das vorhandene Ethernet-Netzwerke zur Stromversorgung von Endgeräten nutzt. Darin liefert das Power Sourcing Equipment (PSE) den Strom über acht Leitungen, die als vier Twisted-Pair-Kabel (Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a) mit RJ45-Anschlüssen ausgelegt sind, an die zu versorgenden Powered Devices (PDs). Das PSE stellt eine Spannung von bis zu 57 V am Endpunkt bereit. Da dies weniger als 60 V sind, entspricht es der Richtlinie für Schutzkleinspannung (SELV; Safety Extra Low Voltage), wodurch das System elektrisch sicher ist und weder ein qualifizierter Elektriker noch ein Vergraben des Kabels erforderlich ist, was die Installation und Wartung vereinfacht. Der Standard begrenzt die Leistung pro Port auf 90 W, was die maximale Leistung darstellt, die über Ethernet-Kabel übertragen werden kann.

Die ursprünglich für 2017 vorgesehene Veröffentlichung wurde vor der eigentlichen Einführung des Standards kontinuierlich aktualisiert, um die Abwärtskompatibilität zu früheren Überarbeitungen sicherzustellen. Das neueste Update der PoE-Spezifikation, IEEE 802.3bt, führt PSE und PDs vom Typ 3 und Typ 4 ein. Um höhere Ströme zu liefern, ermöglicht der neue Standard die gleichzeitige Verwendung der beiden Leistungsmodi (Modus A und Modus B), bekannt als 4-Paar- oder 4PPOE, und liefert Strom über die vier Paare anstelle von zwei wie bei Typ 1 und 2.

Vier zusätzliche Klassen (Klasse 5 bis 8) wurden mit verbesserter gegenseitiger Identifizierung und automatischer Klassenfunktion hinzugefügt. Dieses Update bietet auch eine geringere Standby-Leistungsaufnahme und unterstützt neben PoE auch 10G-BASE-T.

Entwickeln mit Power over Ethernet

Bei der Entwicklung der PDs sind bestimmte Merkmale zu berücksichtigen, darunter die Betriebsart, die PD-Erkennung und -Klassifizierung. Um Schäden an Nicht-PoE-Geräten zu vermeiden, muss das PSE erkennen, ob ein PD angeschlossen wurde, bevor es mit Strom versorgt wird. Der PD-Modus wird über eine gültige Signatur erkannt und mithilfe eines 25-kΩ-Widerstands im PD implementiert. Wenn das PSE dann zwei aufeinanderfolgende Spannungen (U1 = 2,7 V und U2 = 10,1 V) zur Widerstandserkennung bereitstellt, zeichnet es die Stromwerte auf und stellt so das Vorhandensein eines PD fest, bevor die Stromversorgung aktiviert wird. Bild 1 beschreibt die Widerstandserkennung während des Startvorgangs.

In der Klassifizierungsphase wird der maximale Leistungsbedarf des PD ermittelt. Ein weiterer Widerstand, der an den PoE-Controller im PD angeschlossen ist, gibt den Leistungsbereich an. Tabelle 1 führt die verschiedenen Klassen und ihre maximale Durchschnittsleistung für PDs mit Einzelsignatur auf. Die Klasse ist nicht mit dem Typ zu verwechseln, da sie sich auf die spezifische Leistung für das angeschlossene Gerät bezieht. Mit IEEE 802.3af/at (Geräte vom Typ 1 und Typ 2) wird ein PD mit Einzelsignatur verwendet. IEEE 802.3bt fügt PDs mit zwei Signaturen hinzu, bei denen für jeden Modus oder für jede Alternative (A und B) separate Eingangsbrückengleichrichter und PD-Controller verwendet werden.

Eine optionale Erweiterung der Klassifizierung ist „Autoclass“. Darin misst das PSE den Stromverbrauch des angeschlossenen PD über einen bestimmten Zeitraum, sodass das PSE die maximale Leistung bestimmen kann, die das PD jemals benötigen wird. Autoclass wird niemals mit PDs mit doppelter Signatur implementiert.

Tabelle 1 führt die neuen Klassen und Typen in Bezug auf die am PD empfangene Leistung und die unterstützten Modi für jeden Typ auf.

Sobald das PD erkannt und die Klasse ermittelt wurde, muss es die Stromversorgungs-/Power-Signatur beibehalten. Für Geräte vom Typ 1 und Typ 2 betrug die erforderliche Mindestsignatur 10 mA bei einem Arbeitszyklus von 20 %. Um den Port aktiv zu halten, wurde ein durchschnittlicher Strom von mindestens 2,31 mA verschwendet. Dies entspricht 115 mW bei 50 V, was sich bei größeren Einsätzen sehr schnell summiert. Bei Geräten vom Typ 3 und Typ 4 wurde der Arbeitszyklus auf 1,875 % reduziert, was zu weniger als 10 mW pro Gerät führt und den Standby-Stromverbrauch um 90 % verringert.

Monolithische Stromversorgungen (MPS; Monolithic Power Systems) sind in vernetzten Beleuchtungen, in denen eine große Anzahl von Geräten in einem Netzwerk vorhanden ist, unbedingt erforderlich. Sie sind auch für dauerhaft aktive Systeme wie funkbasiertes Backhaul, WLAN-Zugangspunkte und Sicherheitskameras erforderlich – wenn auch weniger kritisch.

Power-over-Ethernet-Modi

Die Leistungsabgabe ist in drei Modi unterteilt: Modus A, Modus B (Alternative A beziehungsweise Alternative B) und 4-Paar. Bei 10BASE-T/100BASE-TX wird im Modus A die Leistung gleichzeitig mit den Datenpaaren 1 bis 2 und 3 bis 6 geliefert. Modus B liefert die Leistung über die Ersatzpaare 4 bis 5 und 7 bis 8. In 1000BASE-T-Anwendungen (vier Paare) wird sowohl im Modus A als auch im Modus B gleichzeitig Strom über vier Paare geliefert. Die Gleichtaktspannung wird über den Mittelabgriff eines Standard-Ethernet-Transformators entnommen. Ein DC/DC-Wandler stellt dann eine geregelte Ausgangsspannung für das System bereit.

Bild 2 beschreibt die Leistungsabgabe im Modus A und Modus B für Anwendungen vom Typ 1 und Typ 2. Bild 3 beschreibt die Verkabelung für den 4-Paar-Modus bei Typ 3 und Typ 4.

Tabelle 1: Maximale durchschnittliche Leistung für PDs mit Einzelsignatur. On Semiconductor

Bei der Entwicklung von PoE-Geräten kommt es darauf an, das Verbindungskabel zu berücksichtigen. Die maximale Kabellänge für Ethernet beträgt 100 m, was einen Gleichstromwiderstand darstellt, der die Spannung senkt und die Verlustleistung durch Wärme abführt. Kabel der Kategorie 5 (Cat5) sind Twisted-Pair-Kabel, wie sie in Ethernet-Netzen und zur Stromversorgung in PoE-Netzwerken verwendet werden. Diese Kabel unterstützen bis zu 100 MHz für 10/100/1000BASE-T. Kabel der Kategorie 6 (Cat6) bieten eine Verbesserung gegenüber Cat5-Verkabelung und unterstützen bis zu 500 MHz für 10GBASE-T-Ethernet.

Ein 100 m langes Cat5-Kabel hat einen Gleichstromwiderstand von 12,5 Ω; ein Cat6-Kabel nur 7 Ω. Die Übertragungsverluste steigen mit zunehmendem Strom in den differenziellen Paaren. Bei einer typischen Eingangsspannung von 50 V in einem 25 W-PD beträgt der Strom 0,5 A. Dies führt zu einem Übertragungsverlust von 2,5 W bei Cat5 und 1,75 W bei Cat6, der als Wärme abgeführt wird. Bei einem 90-W-Gerät wird dieser Übertragungsverlust auf vier Paare mit 930 mA pro Paar aufgeteilt, wobei das PSE mindestens 52 V bereitstellt. Dies entspricht 17,3 W mit Cat5 und 2 × 6,05 W bei Cat6 – was zeigt, dass Cat5 für jede Anwendung ausreichend und sicher genug ist.

Der richtige Anschluss

Die Verkabelung sollte bei Installationen sorgfältig gewählt werden. Es muss ein Kompromiss zwischen Kabellänge und Leistung des Geräts berechnet werden, um die Effizienz zu erhöhen und das Risiko einer Beschädigung der Verkabelung zu beseitigen.

Der PD-Controller wandelt und regelt mit einem zusätzlichen DC/DC-Wandler die Eingangsspannung auf der PD-Seite. Diodenbrücken sind eine kostengünstige Lösung für gängige PoE-Geräte. Sie waren bei Geräten mit geringerer Leistungsaufnahme ausreichend – aber mit zunehmender Leistung werden sie problematisch. Bei 25,5 W und mindestens 42,5 V fließt ein Strom von etwa 0,6 A durch die Diodenbrücke. Bei einer Durchlassspannung von 0,7 V pro Diode beträgt die in jeder Diode verbrauchte Leistung 420 mW. Bei einem 90-W-System beträgt der Strom jetzt 3,7 A, wobei die in jeder Diode verbrauchte Leistung 2,59 W beträgt.

Ein MOSFET-Ansatz verbessert die Leitungsverluste und den Wirkungsgrad gegenüber der herkömmlichen Diodenbrücke. Die erste Generation der Green-Bridge-Familie integrierter Dual-p-Kanal- und Dual-n-Kanal-MOSFETs (FDMQ8203) von On Semiconductor bietet eine elegante Lösung für dieses Problem in einem kompakten und thermisch verbesserten SMD-Gehäuse. Der Leitungsverlust hängt mit dem R_DS(ON)-Wert der MOSFETs zusammen: mit 110 und 190 mΩ für die n- beziehungsweise p-Kanal-MOSFETs ergibt die Verlustleistung für ein 25-W-System an die 115 mW. Dies ist ein Viertel der Verluste der Diodenbrücke. Im 90-W-Beispiel ergibt ein Strom von 3,7 A einen Leitungsverlust von 354 mW, was 13 % der Diodenlösung entspricht. Dies mag wie eine relativ geringe Einsparung erscheinen, aber in einem Gebäudemanagementsystem, in dem Hunderte von PoE-Sensoren verwendet werden, kann der Unterschied erheblich sein.

Die Quad-MOSFETs der zweiten Generation (FDMQ8025A) bieten eine höhere Nennleistung, hocheffiziente Brückengleichrichter sowie die erforderlichen Gate-Treiber im gleichen kleinen MPL-Gehäuse (4,5 mm × 5 mm) wie die erste Generation und einen viel niedrigeren R_DS(ON) von 35 mΩ für die n-Kanal-Variante und 76 mΩ für die p-Kanal-Variante.

On Semiconductor bietet auch PoE-PD-Schnittstellencontroller an, mit denen sich jedes Gerät 802.3af/at- und -3bt-konform betreiben lässt: NCP1095 und NCP1096 enthalten alle für den Betrieb in einem PoE-System erforderlichen Funktionen wie Erkennung, Klassifizierung, Autoclass und Strombegrenzung während der Einschaltphase. Die beiden Controller unterstützen bis zu 90 W über einen internen/externen Durchgangstransistor. Sie zeigen auch an, wann eine kurze Maintain-Power-Signatur eingefügt werden kann. Eine zusätzliche Hilfsspannungserkennung ermöglicht die Stromversorgung über PoE oder einen Netzdapter.

Mit den Evaluierungsboards NCP1095GEVB und NCP1096GEVB lassen sich beide Controller schnell evaluieren, bevor ein physikalisches Design zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses umgesetzt wird. Zu den Boards gehören die aktive Green-Bridge2-Brücke, RJ45-Anschlüsse und ein LAN-Transformator.

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