Разработка подсистемы электропитания устройств с поддержкой технологии Power over Ethernet

28 октября

телекоммуникацииуправление питаниемавтоматизацияинтернет вещейуниверсальное применениеMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемыисточники питанияPoEEthernetMaximPower Over Ethernet

Тхонг Хюинь (Maxim Integrated), Сухел Дханани (Maxim Integrated)

Технология PoE позволяет вместе с данными передавать по имеющимся кабелям Ethernet CAT5/5e/6 электрическую энергию для питания оконечных устройств. Данная технология широко используется в таких устройствах, как камеры видеонаблюдения, оборудование для управления домами/зданиями, цифровые табло, VoIP-телефоны на предприятиях и точки доступа Wi-Fi. Компания Maxim Integrated дает рекомендации по проектированию систем PoE. Особое внимание уделяется подсистеме электропитания питаемых устройств (PD).

Системы Power over Ethernet (PoE) состоят из разного рода питающего оборудования (PSE), такого как сетевые коммутаторы или промежуточные PoE-адаптеры (инжекторы), а также питаемых устройств (PD), что иллюстрирует рисунок 1.

Рис. 1. Система PoE с питающим оборудованием (вверху) и питаемыми устройствами (внизу)

Рис. 1. Система PoE с питающим оборудованием (вверху) и питаемыми устройствами (внизу)

Применение технологии PoE позволяет уменьшить количество кабелей, идущих к оконечному оборудованию. Использование единой кабельной инфраструктуры упрощает монтаж, а также дает возможность реализовать централизованное управление питанием, то есть удаленно включать и выключать питаемые устройства. А если в составе питающего оборудования имеется источник бесперебойного питания (ИБП), то применение технологии PoE позволяет обеспечить функционирование оконечных устройств даже при пропадании сетевого напряжения.

Разумеется, существуют определенные ограничения как на количество энергии, которое может быть передано оконечному устройству, так и на расстояние от этого устройства до сетевого коммутатора, выступающего в качестве источника питания. Максимальное расстояние от PoE-коммутатора до питаемого устройства составляет 100 м, но его можно увеличить, используя PoE-удлинитель (экстендер).

Питающее напряжение передается по витым парам обычного кабеля Ethernet, который содержит четыре пары проводников. В сетях стандарта Gigabit Ethernet, наиболее распространенных на сегодняшний день, все четыре пары задействованы для передачи данных. Для передачи питающего напряжения могут использоваться только две пары из четырех, как показано на рисунке 2. Схема питания, в которой используются пары 1/2 и 3/6, в стандарте IEEE называется Alternative A, а схема, в которой используются пары 4/5 и 7/8 – Alternative B.

Для соответствия стандарту питаемое устройство обязано поддерживать обе схемы питания, в то время как питающие устройства могут реализовывать как обе схемы, так и одну.

Рис. 2. Передача энергии в системе PoE с использованием схем питания Alternative A и Alternative B

Рис. 2. Передача энергии в системе PoE с использованием схем питания Alternative A и Alternative B

Мощность, которая может быть передана оконечному устройству, определяется следующими стандартами:

  • IEEE3af – первоначальный стандарт, принятый в 2003 году. Он ограничивал мощность, передаваемую через один порт, на уровне 15, 4 Вт (при использовании двух пар кабеля Ethernet). С учетом 100-метрового расстояния между питающим оборудованием и питаемым устройством максимальная мощность, получаемая устройством, получалась равной 12,95 Вт.
  • Новый стандарт IEEE3at, также известный как PoE+, был принят в 2009 году. Согласно этому стандарту, питаемые устройства, удаленные от питающего оборудования на 100 м, могли получать 25,5 Вт. Этот стандарт обратно совместим с IEEE802.3af, поэтому старые питаемые устройства могли работать с новым питающим оборудованием.
  • Последний стандарт IEEE3bt был принят в сентябре 2018 года. Согласно этому стандарту, питаемые устройства, удаленные от питающего оборудования на 100 м, могут получать уже 71 Вт. С принятием этого стандарта питающее оборудование получило возможность передавать через один порт до 100 Вт, что позволило использовать технологию PoE с такими устройствами, как светодиодные светильники, дисплеи большого формата и так далее.

Диапазоны изменения напряжения для разных стандартов как на выходе питающего оборудования, так и на входе питаемых устройств, указаны в таблице 1.

Таблица 1. Диапазон напряжения, формируемого питающим оборудованием и поступающего на питаемые устройства

Стандарт IEEE802.3af IEEE802.3at IEEE802.3bt
Напряжение на выходе PSE, В 44…57 50…57 50…57
Напряжение на входе PD, В 37…57 42,5…57 42,5…57

Проектирование системы PoE: подсистема электропитания питаемого устройства

В общем виде подсистема электропитания типичного питаемого устройства может выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Подсистема питания питаемого устройства PoE: а) неизолированная; б) изолированная

Рис. 3. Подсистема электропитания питаемого устройства PoE: а) неизолированная; б) изолированная

Подсистема питания питаемого устройства включает в себя контроллер интерфейса, на вход которого поступает сигнал с кабеля Ethernet, и DC/DC-преобразователь, который формирует напряжения питания, требуемые для работы устройства. В таблице 2 приведены максимальные значения мощности, которую питаемое устройство может потреблять от порта. Все питаемые устройства по величине потребляемой ими мощности относятся к одному из 8-ми классов, который контроллер интерфейса питаемого устройства сообщает питающему оборудованию в процессе согласования. Более подробно о классификации питаемых устройств можно узнать из стандарта IEEE802.3bt.

Таблица 2. Мощность, потребляемая питаемым устройством от порта PoE

Класс мощности питаемого устройства Максимальная потребляемая мощность устройства PClass_PD, Вт
1 3,84
2 6,49
3 13
4 25,5
5 40
6 51
7 62
8 71

Приступая к выбору подходящей схемы электропитания, инженер должен задать себе ряд вопросов, ответы на которые помогут определиться с потребностями питаемого устройства:

  • Какое количество энергии потребляет питаемое устройство?

Зная максимальную мощность, потребляемую устройством, выберите соответствующий класс мощности. Завышать это значение не рекомендуется. Во-первых, более высокая мощность увеличивает стоимость системы электропитания. Во-вторых, это приведет к уменьшению бюджета мощности, которую питающее оборудование сможет выделить другим питаемым устройствам, подключенным к той же сети PoE.

  • Нужна ли гальваническая развязка?

Любые питаемые устройства и питающее оборудование обеспечивают изоляцию между всеми внешними проводниками, к которым имеется доступ, включая заземление корпуса (при его наличии), и всеми выводами порта Ethernet, включая те, которые не используются оборудованием PoE. Стандартом определены две разновидности сред для развертывания сетей передачи электроэнергии, каждая из которых предъявляет разные требования к электрической изоляции:

  • Environment А – среда, в которой локальная сеть (ЛВС) или сегмент ЛВС со всем подключенным к нему оборудованием находится в пределах одной низковольтной сети и в пределах одного здания. Многопортовые сетевые устройства (Network Interface Device, NID), предназначенные для эксплуатации в среде A, не требуют наличия гальванической развязки между сегментами сети.
  • Environment B – среда, в которой ЛВС пересекает границу между отдельными сетями электропитания или выходит за пределы здания. В этом случае оборудование, содержащее несколько питающих и/или питаемых устройств, должно соответствовать или превосходить требования по изоляции, предъявляемые к модулям сопряжения со средой/устройствам физического уровня (MAU/PHY), с которыми связано каждое из этих устройств. Проще говоря, если ваше питаемое устройство представляет собой законченное устройство, полностью закрытое пластиковым корпусом и не имеющее разъемов для подключения внешних устройств, такое как камера видеонаблюдения, светодиодная лампа с PoE, недорогой IP-телефон и прочее, то изоляция не обязательна. В этом случае можно применить неизолированную схему питания, чтобы упростить конструкцию и уменьшить стоимость устройства.
  • Требуется ли устройству питание от сетевого адаптера?

Например, в IP-телефоне наверняка будет присутствовать вход для подключения сетевого адаптера, чтобы телефон можно было использовать в тех местах здания, где технология PoE пока не развернута. Если предполагается, что устройство будет использоваться в таких местах, выбирайте контроллер интерфейса питаемого устройства, допускающий использование сетевого адаптера.

  • Требуется ли устройству режим ожидания с низким энергопотреблением для соответствия требованиям соответствующих регулирующих органов?

Все большее число регуляторов требует, чтобы устройства, такие как IP-телефоны, потребляли и во время простоя (в течение дня), и во время сна (вне рабочего времени) как можно меньше электроэнергии. Чтобы обеспечить соответствие этим требованиям и внести свой вклад в улучшение экологии, выбирайте для своего устройства контроллер интерфейса питаемого устройства, имеющий поддержку функции MPS (Maintain Power Signature) и спящего режима с пониженным энергопотреблением

  • Важен ли высокий КПД?

Чем выше КПД, тем ниже будут энергопотери и, соответственно, тепловыделение в вашем устройстве. Меньшее тепловыделение влечет за собой более низкую рабочую температуру, что, в свою очередь, положительно сказывается на надежности устройства. Предположим, что ваше устройство потребляет при работе большую мощность, скажем, 60 Вт. При КПД 80% потребуется входная мощность 60 Вт/80% = 75 Вт. Это больше максимальной мощности (71 Вт), обеспечиваемой технологией PoE, что автоматически влечет за собой несовместимость вашего устройства с этой технологией. В то же время для устройства с КПД 90% требуемая входная мощность составит всего 60 Вт/90% = 67 Вт, что полностью соответствует 8-му классу (71 Вт). Очевидно, что в данном случае без высокого КПД не обойтись. Кроме того, желательно всегда относить свое питаемое устройство к минимально возможному классу, чтобы оставшуюся часть мощности PoE можно было распределить между как можно большим количеством питаемых устройств. В пограничной ситуации высокое значение КПД позволит отнести ваше устройство к более низкому классу мощности.

Выбор контроллера интерфейса питаемого устройства

При выборе микросхемы контроллера интерфейса питаемого устройства необходимо учитывать следующие аспекты:

  • соответствие конкретному стандарту IEEE3af/at/bt;
  • наличие выхода индикации типа PSE (1-4) или факта подключения внешнего сетевого адаптера;
  • упрощенное подключение сетевого адаптера;
  • поддержку механизма «Multi-Event Classification 0-8» (многоэтапное определение класса мощности);
  • поддержку функции «Intelligent MPS»;
  • поддержку спящего режима (обычного и со сверхнизким энергопотреблением).

Перечисленные функции отвечают большей части требований, предъявляемых к питаемым устройствам. Выполнение остальных требований возлагается на DC/DC-преобразователь, к обсуждению которого мы вернемся чуть позже. Для выбора подходящего контроллера интерфейса питаемого устройства можно воспользоваться таблицей 3, в которой указаны рекомендуемые к применению ИС контроллеров и их ключевые особенности.

Таблица 3. Рекомендуемые к применению контроллеры интерфейса питаемого устройства

Наименование Совместимость с 802.3af/at Совместимость с CoC 70 Вт
MAX5969 +
MAX5981 + +
MAX5982 + +

Выбор неизолированного DC/DC-преобразователя

Если вашему питаемому устройству не требуется гальваническая развязка, то имеет смысл применить неизолированный понижающий DC/DC-преобразователь. При этом следует обращать внимание на такие его характеристики, как КПД, габаритные размеры и стоимость. Всем этим требованиям в полной мере отвечают контроллеры высокой степени интеграции с поддержкой синхронного выпрямления и широким диапазоном входных напряжений. Пример питаемого устройства класса 3, в котором применен неизолированный DC/DC-преобразователь с подходящими КПД и размерами, приведен на рисунке 4. ИС MAX5969B – это контроллер интерфейса питаемого устройства, а MAX17503 – неизолированный понижающий DC/DC-преобразователь. Этот преобразователь обеспечивает выходное напряжение 5 В при токе 2,5 А и имеет пиковый КПД 92%.

Рис. 4. Питаемое устройство класса 3, неизолированное, применены MAX5969B и MAX17503

Рис. 4. Питаемое устройство класса 3, неизолированное, применены MAX5969B и MAX17503

На рисунке 5 приведен пример питаемого устройства класса 1, в котором применяется другой неизолированный DC/DC-преобразователь – MAXM15064, обеспечивающий выходное напряжение 5 В при токе 300 мА. ИС MAXM15064 выпускается в крошечном 10-выводном корпусе uSLIC размерами 2,6×3,0×1,5 мм.

 Рис. 5. Питаемое устройство класса 1, неизолированное, применены MAX5969B и крошечная ИС питания в корпусе uSLIC MAXM15064

Рис. 5. Питаемое устройство класса 1, неизолированное, применены MAX5969B и крошечная ИС питания в корпусе uSLIC MAXM15064

Выбор изолированного DC/DC-преобразователя

Если вашему питаемому устройству требуется гальваническая развязка, то для его питания можно применить обратноходовой преобразователь мощностью около 40 Вт (класс 5 и ниже). Причем использование преобразователя, требующего минимума внешних компонентов, позволит сэкономить место на плате и уменьшить стоимость устройства. Так, например, применение контроллера изолированного обратноходового преобразователя, которому для стабилизации выходного напряжения не нужен оптрон обратной связи, позволит сэкономить несколько внешних компонентов, а также уменьшить габариты источника питания и стоимость конечного устройства. Более того, поскольку параметры оптрона с течением времени ухудшаются, отказ от него способствует повышению надежности устройства.

Пример питаемого устройства класса 2, использующего изолированный DC/DC-преобразователь, приведён на рисунке 6. В качестве контроллера интерфейса питаемого устройства используется MAX5969B, а в качестве обратноходового DC/DC-преобразователя без оптрона обратной связи – MAX17690. Примененный DC/DC-преобразователь может работать от сетевого адаптера с выходным напряжением 12…57 В, а его выходное напряжение составляет 5 В при токе 1 А.

Рис. 6. Питаемое устройство класса 2, изолированное, применены MAX5969B и MAX17690 (без оптрона обратной связи)

Рис. 6. Питаемое устройство класса 2, изолированное, применены MAX5969B и MAX17690 (без оптрона обратной связи)

Чтобы еще больше повысить эффективность обратноходового DC/DC-преобразователя, можно заменить выходной выпрямительный диод на синхронный выпрямитель, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Питаемое устройство класса 2, изолированное, применены MAX5969B, MAX17690 и опциональный синхронный драйвер MOSFET MAX17606, позволяющий достичь максимального КПД

Рис. 7. Питаемое устройство класса 2, изолированное, применены MAX5969B, MAX17690 и опциональный синхронный драйвер MOSFET MAX17606, позволяющий достичь максимального КПД

Если требуется источник питания мощностью более 40 Вт, то для достижения наибольшего КПД рекомендуется применять прямоходовой преобразователь с активным демпфером, даже если обратноходовой преобразователь еще прекрасно справляется со своей работой. Чем выше выходная мощность, тем важнее становится КПД преобразователя, поскольку именно этот параметр определяет количество тепла, которое должно будет рассеять питаемое устройство. Кроме того, прямоходовой преобразователь с активным демпфером генерирует меньше электромагнитных помех (ЭМП) благодаря использованию квазирезонансного режима переключения силового ключа. Схема питаемого устройства, использующего прямоходовой DC/DC-преобразователь с активным демпфером, представлена на рисунке 8. Данный преобразователь обеспечивает гальванически развязанное выходное напряжение 57 В при токе 700 мА, то есть имеет мощность 40 Вт при пиковом значении КПД 91,5%.

Рис. 8. Питаемое устройство класса 5, изолированное, применены MAX5969B и MAX17599 (прямоходовый DC/DC-преобразователь с активным демпфером, имеющий высокий КПД и обеспечивающий низкий уровень ЭМП)

Рис. 8. Питаемое устройство класса 5, изолированное, применены MAX5969B и MAX17599 (прямоходовой DC/DC-преобразователь с активным демпфером, имеющий высокий КПД и обеспечивающий низкий уровень ЭМП)

Подведем итог

По мере того, как все большее число устройств оказывается подключенными к сети, использование единственного кабеля Ethernet и для передачи данных и для питания устройств, оказывается чрезвычайно удобным. Кроме того, подача питания через централизованно управляемый коммутатор позволяет реализовать и другие функции, такие как дистанционное включение/выключение оконечных устройств и обеспечение их бесперебойной работы даже при пропадании сетевого напряжения в месте их установки.

Благодаря новейшему стандарту IEEE 802.3bt еще большее число устройств теперь может получать питание посредством технологии PoE. По мере увеличения передаваемой мощности растет и потребность в устройствах, имеющих более высокий КПД и более широкий диапазон входных напряжений. Разработка таких устройств требует взвешенного подхода к выбору как контроллера интерфейса питаемого устройства, так и DC/DC-преобразователя, который формирует стабилизированное напряжение, необходимое для работы устройства.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX5969BETB+T (MAX)
MAX5969AETB+T (MAX)
MAX5969DETE+T (MAX)
MAX5981BETE+T (MAX)
MAX5981AETE+ (MAX)
MAX5981BETE+ (MAX)
MAX5982CETE+T (MAX)
MAX5982AETE+T (MAX)
MAX5982CETE+ (MAX)
MAX17503ATP+ (MAX)
MAX17503ATP+T (MAX)
MAX17503SATP+ (MAX)
MAXM15064AMB+T (MAX)
MAXM15064EVKIT# (MAX)
MAXM15064AMB+ (MAX)
MAX17690ATE+T (MAX)
MAX17690ATE+ (MAX)
MAX17690ATE/V+ (MAX)
MAX5980GTJ+T (MAX)
MAX5980GTJ+ (MAX)