90 Вт по витой паре: решение Microchip для приложений PoE

13 мая 2020

Александр Шауэрман (Алтайский край)

Благодаря приобретению компании Microsemi с 15-летним опытом разработки систем передачи мощности через Ethernet (PoE) компания Microchip может предложить широкую линейку интегральных менеджеров и контроллеров питания PoE для всех имеющихся четырех стандартов передачи мощности, включая самый современный, способный доставлять мощность до 90 Вт.

Технология Power over Ethernet (PoE) позволяет передавать питание через стандартную инфраструктуру Ethernet к подключенным потребителям. Это значительно облегчает установку точек доступа WLAN, сетевых камер, IP‑телефонов и других IP-устройств. Распространение таких Ethernet-устройств как камера безопасности Pan-Tilt-Zoom (PTZ), точки доступа Wi-Fi стандарта IEEE 802.11ac и IEEE 802.11ax, светодиодные светильники и устройства интернета вещей (IoT) создало беспрецедентный спрос на питание повышенной мощности. Ответом стало появление нового стандарта IEEE 802.3bt с предельной мощностью питания 90 Вт на один порт Ethernet.

Одним из несомненных лидеров в области технологии PoE является корпорация Microchip Technology Inc.

PoE: Преимущества и особенности

В простейшей форме система PoE состоит из умного источника питания, называемого PSE (Power Source Equipment), кабеля Ethernet (витой пары) с максимальной длиной 100 метров и питаемого устройства PD (Powered Device). PD принимает данные и питание от силового интерфейса PI (Power Interface) кабеля Ethernet. PI обычно представляет собой классический восьмиконечный разъем типа RJ45 (8P8C). Таким образом по одному физическому кабелю на оконечное устройство передаются и цифровые данные, и питающая мощность.

Так как для передачи данных по витой паре используется дифференциальный сигнал, становится возможным через центральный отвод трансформатора добавить в пару постоянный потенциал, как это показано на рисунках 1 и 2. В зависимости от потребности, питающее напряжение может передаваться по двум или четырем парам.

Рис. 1. Передача мощности по двум парам

Рис. 2. Передача мощности по четырем парам

Новый стандарт Power over Ethernet IEEE 802.3bt является уже третьей редакцией широко распространенного стандарта IEEE, определяющего передачу низковольтной мощности на сетевые устройства. Первый стандарт PoE, IEEE 802.3af (2003), был способен обеспечить 13 Вт питающей мощности. С выходом в 2009 году редакции IEEE 802.3at передаваемая мощность была увеличена до 25,5 Вт. С введением в 2018 году IEEE 802.3bt доступная для устройств мощность увеличивается почти втрое, до 71,3 Вт, что позволяет использовать технологию во множестве новых приложений [1].

На рисунке 3 показаны уровни мощности, определенные стандартом IEEE 802.3bt, и то, как они соотносятся со стандартами предыдущих поколений PoE. Все устройства PoE (источники или нагрузки) являются совместимыми, единственным ограничением является то, что PD нового типа с большей мощностью потребления не сможет получить полную мощность от более старого или более низкого по типу PSE. В зависимости от максимальной потребляемой мощности, все нагрузки разделены на классы. Стандарты PoE предыдущего поколения описывали 4 класса с мощностью нагрузки до 25,5 Вт, редакция IEEE 802.3bt расширила возможности технологии еще четырьмя новыми классами – до 71,3 Вт.

Рис. 3. Стандарты PoE и мощности нагрузок

По способности устройств работать в рамках определенного стандарта их подразделяют по типам (таблица 1). К Типу 1 относятся устройства, соответствующие стандарту IEEE 802.3af, их называют просто «PoE». Передача мощности осуществляется по двум дифференциальным парам. Максимальная выходная мощность составляет 15,4 Вт. Тип 2 известен как «PoE+», соответствует стандарту IEEE 802.3at, максимальная выходная мощность порта – 30 Вт. Типы 3 и 4 описаны в стандарте IEEE 802.3bt. Тип 3 часто называю «PoE++» или «UPoE», он может осуществляет передачу мощности уже по четырем витым парам, максимальная выходная мощность – 60 Вт. Для устройств Типа 4 максимальная выходная мощность достигает 90 Вт.

Передача более высокого уровня мощности (начиная с класса 5) стала возможной при использовании всех четырех витых пар в кабеле. Однако устройства новых типов 3 или 4 могут работать в классах малой мощности (1…4) и также использовать все четыре витые пары, что позволяет сократить потери в кабеле вдвое.

Таблица 1. Электрические параметры стандартов PoE

Отличие между выходной мощностью порта PSE и мощностью, получаемой PD, возникает из-за естественных потерь на активном сопротивлении провода кабеля. Если для IEEE 802.3af достаточно было использовать витую пару Cat3, то начиная с IEEE 802.3at рекомендуется использовать как минимум Cat5, а для IEEE 802.3bt использование Cat5e (или выше) строго обязательно..

Если изначально кабельная инфраструктура Ethernet создавалась с использованием качественной витой пары, то интеграция PoE, в том числе и нового стандарта, происходит легко и без каких-либо дополнительных вложений.

Обзор текущих решений Microchip

2018 год ознаменовался выходом новой спецификации PoE. Как следствие, на рынок было выведено множество запатентованных решений, поддерживающих новый стандарт. Благодаря приобретению компании Microsemi с более чем 15-летним опытом разработки компонентов для PoE, Microchip Technology смог оказаться в лидерах отрасли. Технологический задел Microsemi позволил в короткое время объявить о поддержке IEEE 802.3bt.

До слияния Microsemi выпускала компоненты PoE для построения систем HDBaseT, где по витой паре могло передаваться до 95 Вт мощности в нагрузку. Фактически, для поддержки нового стандарта PoE не пришлось принципиально менять аппаратную платформу, а достаточно было доработать встраиваемое программное обеспечение, добавив поддержку IEEE 802.3bt.

В настоящий момент Microchip предлагает решения PoE по двум направлениям: готовые приборы и системы (инжекторы, сетевые коммутаторы), а также микросхемы для создания таких систем. В рамках данного обзора подробно остановимся на втором направлении. Микросхемы PoE можно разделить на две группы:

• Микросхемы для PSE обеспечивают все необходимые функции PSE, обладают высокой масштабируемостью и могут предоставить до 90 Вт мощности на порт при подаче питания по четырем или двум парам соответственно, при этом общее число портов может достигать 48 или 96.
• Микросхемы для PD. Такие микросхемы обеспечивают поддержку PoE на конечном устройстве.

Обе группы представлены множеством микросхем различных поколений, но наибольший интерес представляют микросхемы с поддержкой нового протокола IEEE 802.3bt.

Менеджер и контроллер питания

Для непосредственного управления питанием нагрузки в приложениях PoE Microchip (Microsemi) предлагает серию микросхем PD69208M, PD69208T4 и PD69204T4 [2]. Устройства такого типа называются менеджерами питания. Микросхемы выполнены в пластиковом 56-выводном QFN-корпусе (рисунок 4). PD69208M и PD69208T4 работают с восемью портами, а PD69204T4 – с четырьмя. PD69208T4 и PD69204T4 могут отдавать в нагрузку по каждому каналу до 95 Вт, в то время как максимальная мощность для PD69208M ограничена 60 Вт (таблица 2).

Рис. 4. Микросхема PD69208M

Таблица 2. Отличительные особенности PD69208M/8T4/4T4

PD69208M/8T4/4T4 совместно со внешним контроллером питания PD69210 образуют PSE-систему (рисунок 5) [3, 4]. Микросхема PD69210 – это экономичный заранее запрограммированный микроконтроллер, основанный на ядре ARM Cortex™‑M0+. PD69210 использует интерфейс I²C или UART для связи с центральным процессором коммутатора Ethernet (хост-контроллером). Разработчику не требуется программировать эти микроконтроллеры, однако в некоторых случаях может возникнуть необходимость обновить встроенную прошивку для получения расширенного функционала.

Рис. 5. Функциональная схема PoE PSE-системы

Микросхемы PD69208M/8T4/4T4 в связке с PD69210 поддерживают обнаружение PoE-устройств (PD) и включение питания в соответствии со стандартами IEEE 802.3at и IEEE 802.3bt. Такая система обеспечивает защиту PD в реальном времени от перегрузки, перенапряжения, перегрева и короткого замыкания. Система способна работать в автономном режиме, когда хост-контроллер выключен или находится в процессе перезагрузки.

PD69208M/8T4/4T4 поддерживает напряжение питания 32…57 В. Встроенные источники напряжения 3,3 и 5 В обеспечивают питание низковольтных цепей без дополнительных преобразователей.

Связь между хост-контроллером и PoE-контроллером выполняется либо через UART, либо через I²C-интерфейс по специальному протоколу [5]. Контроллер PoE преобразует команды и ретранслирует их соответствующим PoE-менеджерам по гальванически изолированному SPI-подобному интерфейсу (Enhanced Serial Peripheral Interface, ESPI). Помимо основного интерфейса хост-контроллер использует линию управления xRESET_IN для сброса системы и линию xDisable_ports для отключения всех PoE-портов одновременно. Информация о событиях (прерываниях) передается на хост с помощью линии xINT_OUT.

Контроллер PD69210 может управлять работой 12-ти менеджеров PoE. Структура такой системы показана на рисунке 6. Компоненты схемы располагаются в двух изолированных доменах питания, к первому домену относится блок менеджеров PoE. Этот блок может включать в себя до 12 микросхем типа PD69208M/8T4/4T4. Соответственно, если применяются менеджеры с восемью каналами (PD69208M или PD69208T4), то можно получить до 96 портов с двухпарной схемой питания или до 48-ми с четырехпарной схемой. Если применяются четырехканальные менеджеры PD69204T4, то число каналов будет в два раза меньше. Во втором домене расположен контроллер PoE и хост-контроллер. PoE-контроллер используется для инициализации, управления и мониторинга каждой микросхемы PD69208M/8T4/4T4 через изолированный интерфейс ESPI. Контроллер PoE взаимодействует с основным процессором коммутатора (Host-процессором) через неизолированный UART или I²C.

Рис. 6. Общая структура многоканальной PoE PSE-системы

Для работы в четырехпарной конфигурации питания достаточно подключить два любых порта PD69208 к одному разъему RJ45 и соответствующим образом сконфигурировать PD69210. Примечательно, что два порта могут быть взяты из одной и той же PD69208 или из двух разных микросхем в системе.

Решение для PD

Большинство современных Ethernet-коммутаторов поддерживает Auto MDI-X, при этом допускается смена направления дифференциальной пары без нарушения работоспособности соединения. Кроме того, для PoE существуют различные конфигурации питающих линий в кабеле. Поэтому драйвер PD должен надежно работать при любой конфигурации и полярности питающего напряжения. С точки зрения схемотехники такую задачу может решить полный диодный мост, а для того чтобы минимизировать потери мощности, мост можно выполнить на управляемых элементах.

При реализации PoE в питаемых устройствах компания Microchip предлагает использовать микросхему PD70224 [7]. Для работы с четырьмя дифференциальными парами PD70224 оснащена двумя полными выпрямительными мостами с N‑канальными МОП‑транзисторами в качестве управляемых элементов (рисунок 7), такое решение получило название IdealBridge™.

Рис. 7. Полный мост и IdealBridge™

Прямое падение напряжения на мосте IdealBridge™ при токе 0,6 А составляет всего 192 мВ (сопротивление канала транзистора 0,16 Ом), в то время как для классического варианта на диодах это напряжение может достигать 2 В. Мост IdealBridge™ поддерживает ток до 1 А, это делает PD70224 идеальным выбором для современных приложений PoE, совместимых с IEEE 802.3af, IEEE 802.3at и IEEE 802.3bt (включая 4 класс).

Выводы SUPP_SA и SUPP_SB (рисунок 7) показывают, какие пары задействованы для питания PD, их можно использовать для определения двухпарной или четырехпарной конфигурации PoE.

С помощью логического входа WA_EN можно отключить интеллектуальный преобразователь: когда на этом входе установлен высокий уровень (относительно OUTN), IdealBridge™ работает как обычный диодный мост.

Микросхема выпускается в 40-выводном корпусе QFN размером 6х8 мм. PD70224 работает с напряжением до 57 В в температурном диапазоне -40…85°С.

Помимо силовой части, PD должен поддерживать протокол PoE, а это означает, что устройство должно проходить детектирование и классификацию. Это позволит на стороне PSE определить подключенное устройство и принять решение о способе взаимодействия с ним. Для этого в устройстве PD используют контроллеры интерфейса (front-end IC), например, микросхемы серии PD70210 [7].

Интегральные схемы PD70210, PD70210A и PD70210AL включают в себя расширенный блок классификации по двум, трем, четырем и шести событиям. С помощью выводов SUPP_Sx драйвера PD70224 контроллеры определяют, по каким парам кабеля фактически поступает питание. Микросхемы имеют внутренний механизм для быстрого разряда конденсатора входного преобразователя, чтобы обеспечить быстрое повторное обнаружение и включение в случае внезапного переподключения кабеля ко входному разъему.

На рисунке 8 показана базовая функциональная схема PD на PD70224 и контроллере PD70210A. Питание PD70210A берет непосредственно с выхода моста (выводы VPP и VPNI). Резистор на входе Rdet (25 кОм) во время фазы обнаружения внутренним ключом кратковременно подключается ко входу VPNI; резистор на входе Rcls определяют класс PD по потреблению (133, 69,8, 45,3 или 30,9 Ом, соответственно, первый, второй, третий или четвертый класс). Подключенный ко входу Rref резистор задает ток смещения внутреннего опорного источника напряжения, его сопротивление должно быть 60,4 кОм. Группа выходов с открытым коллектором (4P_HD_FLAG, 4P_AT_FLAG, AT_FLAG, HD_FLAG) показывает текущий статус контроллера и тип подключения.

Рис. 8. Функциональная схема PD

Если разработчик планирует проектировать выходной DC/DC-преобразователь самостоятельно, то стоит обратить внимание на расширенную версию PD70210 – микросхему PD70211 с дополнительным функционалом в виде встроенного ШИМ- (PWM) контроллера [8].

Отладочные платы

Компания Microchip для оценки своих решений в области PoE предлагает несколько отладочных плат и наборов. Для PSE внимание стоит обратить на плату PD-IM-7618T4 или ее продвинутую версию – набор PD-IM-7618T4H (рисунок 9) [9].

Рис. 9. Отладочная плата PD-IM-7618T4H

Плата PD-IM-7618T4 содержит одну микросхему PD69208T4 и контроллер PD69210, каждый канал PD69208T4 питает одно PoE-устройство по двум дифференциальным парам, такая система реализует восьмипортовый PSE стандарта IEEE802.3af/at. Если установить дополнительную дочернюю плату (верхняя на рисунке 9), то PD-IM-7618T4 превращается в набор PD-IM-7618T4H. Дочерняя плата содержит дополнительную PD69208T4. В результате питание к PD идет уже по четырем дифференциальным парам, а получившаяся система поддерживает восемь полноценных IEEE 802.3bt портов типа 4 с классом мощности до восьмого включительно.

На рисунке 10 показана структура отладочного набора PD-IM-7618T4H.

Рис. 10. Структура отладочного набора PD-IM-7618T4H

Главная плата может подключаться к персональному компьютеру (ПК) через интерфейс USB, в этом случае роль хост-контроллера выполняет ПК. Для преобразования последовательного интерфейса (UART и I²C) используется конвертор MCP2221. При необходимости с помощью перемычек можно отключить конвертор и взаимодействовать с PD69210 напрямую либо подключиться ко внешнему хост-контроллеру Ethernet-коммутатора.

Оценочная плата позволит разработчикам изучить решение PoE производства Microchip и отработать практические моменты применения. Принципиальные схемы плат набора могут стать основой для самостоятельного проектирования такой системы.

Литература

1. Next-Generation PoE: IEEE® 802.3bt. Microchip White Paper.
2. PD69208T4/PD69204T4/PD69208M. PoE PSE Manager Datasheet.
3. 8-Port PSE PoE Manager and PSE PoE Controller. PD69208T4 and PD69210 Datasheet.
4. Designing an IEEE 802.3af/802.3at/802.3bt-Compliant PD69208 48-Port PoE System. Microsemi Application note AN-211.
5. PD69200 Serial Communication Protocol. Microsemi User Guide.
6. PD70224 Ideal Bridge™ Dual MOSFET-based Bridge Rectifier. Datasheet.
7. PD70210/PD70210A/PD70210AL. Front-End PD Interface Controller. Datasheet.
8. PD Controller with Switching Regulator for AF/AT/UPOE/HDBaseT/4-pair PoE Applications. Datasheet.
9. PD-IM-7618T4H and PD-IM-7618T4, Eight Port PoE Evaluation Boards. Microsemi User Guide.