Jednopárové napájení přes Ethernet otevírá perspektivy pro nové aplikace

Technologie Power over Ethernet (PoE), která je k dispozici již mnoho let jako poskytovatel napájení přes ethernetové kabely, se nesetkala s příliš vysokou atraktivitou díky omezení vzdálenosti na maximálně 100 m. Nyní se pravidla hry mění díky jednopárovému napájení přes Ethernet (SPoE), což je technologie definovaná organizací IEEE umožňující přenos energie a dat na velké vzdálenosti pomocí jediného krouceného páru uvnitř ethernetového kabelu, která otevírá nové hranice pro inovativní aplikace.

Ethernet, dobře zavedený a široce používaný pro datovou komunikaci mezi zařízeními, používá k přenosu datových signálů čtyři páry kroucených měděných vodičů, přičemž každý pár přenáší jeden směr datového toku. Zařízení využívající Ethernet, také obecně vyžadují samostatné napájení, což zvyšuje náklady na kabeláž a instalaci.

Technologie Power over Ethernet (PoE) byla vyvinuta jako rozšíření standardu Ethernet, který umožňuje zařízením přijímat data i energii přes stejný kabel pomocí dvou párů vodičů pro přenos dat a dalších dvou párů pro napájení zařízení.

Technologie PoE je schopná dodávat výkon až 90 W na maximální vzdálenost až 100 m. Díky tomu vznikly PoE aplikace, jako jsou IP kamery, bezdrátové přístupové body, VoIP telefony a inteligentní osvětlovací systémy, které lze instalovat a napájet přes jediný kabel. Kromě omezení vzdálenosti však k dalším problémům technologie PoE patří potřeba objemných a drahých konektorů a kabelů, které zvládají vysoké proudy a napětí, výkonové ztráty a odvod tepla.

Představujeme technologii SPoE

S použitím pouze jednoho páru vodičů pro přenos dat i napájení je technologie SPoE schopná dosáhnout datové rychlosti až 1 Gb/s a dodávat výkon až 52 W energie po kabelu o délce až 1 km (obrázek 1), a to pomocí menších a cenově dostupných konektorů a kabelů kompatibilních se stávajícími zásuvkami RJ45.

Obrázek 1: systém SPoE pro přenos výkonu až 52 W. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Díky nižším nákladům a jednodušší implementaci je technologie SPoE vhodná pro širokou škálu aplikací v průmyslu, ve výrobě automobilů, v automatizaci budov a v prostředí internetu věcí, kde je instalace nové kabeláže nebo spoléhání se pouze na bezdrátové sítě LAN nepraktické a/nebo nákladově neúnosné. Tato technologie poskytuje komplexní systémovou telemetrii pro sledování stavu přenosu energie, detekci poruch a přepěťovou ochranu.

V průmyslovém prostředí je technologie SPoE schopná napájet senzory a ovládat zařízení na velké vzdálenosti, aniž by bylo nutné přidávat místní napájecí zdroje, což zjednodušuje síťovou infrastrukturu, snižuje náklady na instalaci a poskytuje centrální řízení spotřeby energie. Vzhledem k tomu, že systémy SPoE lze využívat k napájení přes stávající ethernetovou kabeláž, představuje přidání SPoE přepínačů a koncových bodů rychlý a relativně jednoduchý proces.

Technologie SPoE je součástí standardu IEEE 802.3 - IEEE 802.3 cg pro 10Mbps Ethernet přes jeden kroucený pár (10Base-T1L) - a poskytuje tak rozšíření standardu IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). Technologie PoDL se používá v systémech do vzdálenosti 40 m o napětí 12 V, 24 V nebo 48 V; technologie SPoE pracuje s napětím 24 V nebo 55 V do vzdálenosti 1000 m.

Technologie SPoE je ideální pro aplikace vyžadující nízký až střední výkon a vysoké datové rychlosti na dlouhé vzdálenosti, což není pro technologii PoE proveditelné ani ekonomické.

Potenciální aplikace SPoE zahrnují:

• Systémy provozních technologií, kde jsou spolehlivá komunikace a dodávka energie kriticky důležité pro řízení procesů a automatizaci.
• Systémy automatizace budov a továren schopné monitorovat a řídit parametry prostředí a strojů.
• Provozní přístroje, jako jsou senzory a akční členy, které lze instalovat s vyšší flexibilitou a nižšími náklady.
• Bezpečnostní systémy, například řízení přístupu a dohled, kde lze technologii SPoE snadněji škálovat.
• Systémy řízení provozu vyžadující konzistentní provoz a konektivitu.
• Napájení a správa zařízení IoT na okraji.
• Vzdálené napájení pro digitální značení a venkovní osvětlení.

Kritéria návrhu systémů SPoE

Technologie SPoE využívá metodu „fantomového napájení“ k superponování napájecího signálu přes datový signál na stejném páru vodičů, což vyžaduje oddělení a regulaci napájecích a datových signálů pomocí složitých řadičů na obou koncích kabelu. Aplikace musejí také počítat se ztrátami energie a odvodem tepla podél kabelu, což může ovlivnit výkon a spolehlivost systému.

Řadič napájecího zařízení (PSE) poskytuje sofistikovanou správu a konverzi napájecího napětí pro zajištění bezpečné, stabilní a efektivní dodávky energie. Řadič pracuje v kombinaci s řadiči napájených zařízení (PD), které přijímají energii přes 2vodičový kabel.

Řadiče PSE navržené pro více kanálů mohou napájet různá vzdálená zařízení, jako jsou senzory. Například obvod LTC4296-1 (obrázek 2) od společnosti Analog Devices, Inc. (ADI) je 5portový SPoE řadič schopný dodávat energii až do pěti zátěží přes pět vedení, z nichž každé je dlouhé až 1000 m. Řadič dodává energii pomocí externích, N-kanálových metaloxidových polovodičových tranzistorů s efektem pole (MOSFET) s nízkým odporem v zapnutém stavu mezi odtokem a zdrojem (R_DS(ON)), které minimalizují úbytek napětí a zajišťují robustnost aplikace.

Obrázek 2: 5portový řadič napájecího zařízení (PSE) LTC4296-1 od společnosti ADI. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Řadič napájecího zařízení (PSE) LTC4296-1, který představuje všestranné řešení s technologií SPoE pro ovladače a přepínače 10BASE-T1L, lze snadno integrovat se součástmi portfolia transceiverů10BASE-T1L od společnosti ADI, které zahrnují např. 2portový obvod ADIN2111CCPZ-R7 integrující přepínač, dvě jádra ethernetové fyzické vrstvy (PHY) s rozhraním MAC a souvisejícími analogovými obvody, obvod na monitorování napájení a obvody POR (reset při zapnutí). Transceiver poskytuje přímou konektivitu s celou řadou ovladačů přes sériové periferní rozhraní (SPI).

Na druhém konci vedení ke zařazen obvod LTC9111RDE#PBF, který je jedním z několika PD řadičů od společnosti ADI poskytujících rozsah pracovních napětí 2,3 V až 60 V s korekcí polarity (obrázek 3). Řadič řídí klasifikaci a monitorování přenosu vedením a během této klasifikace ovládá dva externí přepínače s N-kanálovými tranzistory MOSFET v mikrovýkonném režimu, aby byly minimalizovány nároky na zásobníkový kondenzátor. Externí přepínač s N-kanálovými tranzistory MOSFET během klasifikace a náběhu izoluje výstupní kondenzátor od konektoru.

Obrázek 3: řadič napájecího zařízení LTC4296-1 SPoE je vhodný k ovládání až pěti kanálů, které jsou v tomto případě spojené s PD řadiči LTC9111. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Řadiče řady LTC9111 předloží požadavek na napájení odesláním platné signatury probuzení do řadiče PSE. Řadiče PSE a PD vyhovující normě IEEE 802.3cg provádějí klasifikační krok pomocí protokolu Serial Communication Classification Protocol. Řadič PSE ověří kompatibilitu řadiče PD a v případě kladného výsledku přejde na zvyšování napětí portu. Pokud provozované elektrické zařízení vyžaduje jiné napětí než 24 V nebo 55 V, použije se přídavný DC-DC převodník.

Společnost ADI nabízí také vyhodnocovací soupravu EVAL-SPoE-KIT-AZ na vyhodnocování dat a napájení 10BASE-T1L v systému SPoE přes jeden kroucený ethernetový (SPE) kabel. Souprava obsahuje PSE řadič LTC4296-1 a PD řadič LTC9111 na vyhodnocování napájení SPoE podle normy IEEE 802.3cg Class 10 až 15 a transceiver 10BASE-T1L na poskytování systémových dat.

Implementace systému SPoE aplikací

Konstruktéři produktů potřebují optimalizovat energetický rozpočet a účinnost svých řešení SPoE se zohledněním parametrů, jako jsou délka, průměr a odpor kabelu, jakož i teplota a vlastnosti prostředí.

Vyvážení dodávky energie s přenosem dat přes jeden kroucený pár přináší problémy, jako je zajištění dostatečného výkonu pro vzdálená zařízení při zachování integrity dat na potenciálně dlouhé vzdálenosti.

Dodávka energie po dlouhých kabelech při napájecím napětí 24 VDC, které je běžné v mnoha OT instalacích, je vystavena značným ztrátám vlivem odporu kabelu. Podle normy IEEE 802.3cg je technologie SPoE specifikována pro provoz při napětí 24 V nebo 55 V, což dovoluje konstruktérům využívat zvýšené účinnosti dodávky energie v blízkosti 60 V, tedy maximální hodnoty velmi nízkého napětí (SELV).

Závěr

SPoE je nově vznikající technologie umožňující současný přenos dat a napájení přes jeden kroucený pár v ethernetových kabelech. Toto řešení dovoluje snížit náklady, složitost a dopad síťových infrastruktur na životní prostředí, jakož i zajistit vyšší flexibilitu, škálovatelnost a spolehlivost připojených zařízení. Portfolio řadičů PSE a PD od společnosti ADI kompatibilních s normou IEEE 802.3cg může zjednodušit návrh a implementaci aplikací SPoE s vysokou účinností a nízkým šumem, které se tak stávají ideálními pro průmyslové a automobilové systémy a inteligentní budovy, které vyžadují robustní a spolehlivé připojení.