Nowy standard POE+ sprzyja rozwojowi systemów automatyki domowej

Rys. 1. Klasyfikacja oparta na dwóch zdarzeniach oraz protokół LLDP

W 2006 grupa standaryzacyjna IEEE rozpoczęła pracę nad nową wersją standardu zasilania, która w założeniu miała zapewnić w przyszłości znacznie większą dostępną moc. Tak narodził się PoE+, który dzisiaj można uznać za nie tylko przyjęty, ale i zaakceptowany przez przemysł.

Oprócz dotychczasowego sprzętu peryferyjnego za jego pomocą można zasilać szereg bardziej złożonych aplikacji, jak systemy wideokonferencyjne, punkty dostępowe o dużym zasięgu działania, kamery z układem pozycjonowania i ogniskowania obiektywu i wielu innych urządzeń, które dopiero powstaną.

Jednym z obszarów funkcjonalności, gdzie nowy standard zmienił najwięcej, jest nowy mechanizm klasyfikacji urządzeń dołączonych do sieci Ethernet, pozwalający urządzeniu dostarczającemu energii zasilającej - PSE (Power Sourcing Equipment) oraz urządzeniom pobierającym energię PD - (Powered Devices) komunikować się w sposób zapewniający wzajemną identyfikację. Takie rozpoznanie potrzeb i możliwości dołączonych odbiorników i wydajności źródła zapewnia pełną kompatybilność w dół PoE+ ze starą wersją PoE.

Zapewniono to, wprowadzając dwa typy obciążenia 1 i 2 (Type 1 i Type 2). Typ 2 jest zgodny z PoE+ (sufiks .af), typ 1 z PoE (sufiks .at). Identyfikacja i klasyfikacja polegają na odpytywaniu źródła przez obciążenie, czy jest w stanie dostarczyć wymaganą moc zasilania i analogicznie na pytaniu odbiornika przez źródło, jakiej mocy potrzebuje. Taki zdublowany mechanizm wykorzystuje specjalną platformę sprzętową wbudowaną w mechanizm PoE+ na bieżąco wysyłający i odbierający pakiety danych komunikacyjnych niosących informację o potrzebach i możliwościach.

Celem rozbudowy i tej pozornej komplikacji było oczywiście zapewnienie pełnej kompatybilności i możliwości mieszania urządzeń PoE i PoE+ w dowolnych kombinacjach wewnątrz jednego systemu. Klasyfikacja odbiornika realizowana w ramach 802.3at bazuje na 2 zdarzeniach (określanych także jako ping-pong), w trakcie których PSE dwukrotnie dokonuje pomiaru napięcia zasilania pod obciążeniem (rys. 1 dół). Załączenie obciążenia wywołuje spadek napięcia proporcjonalny do poboru prądu przez odbiornik.

Pomiar o ile spadło napięcie umożliwia określenie maksymalnej mocy, jaką można umożliwić odbiornikowi pobrać ze źródła. Na początku PSE podaje impuls o napięciu zawierającym się między 15,5 a 20,5V poprzez jedną parę do transmisji danych. W odpowiedzi PD zwiększa pobór prądu o 40mA, co pozwala zakwalifikować go do jednej z czterech grup zasilania. Następnie PSE wysyła impulsowy sygnał do PD wskazujący, do której grupy zasilania został przydzielony.

Impuls podwójny wskazuje najwyższy poziom mocy wyznaczany przez standard 802.3. Następnie PD sygnalizuje i wskazuje do PSE, jaką część z przyznanego limitu mocy zamierza wykorzystać. Taka pozornie złożona klasyfikacja wbudowana w standard 802.3at pozwala na indywidualne zarządzanie mocą dla każdego odbiornika. Niemniej w nowej wersji 802.3af oprócz niej wprowadzono dodatkowy mechanizm LLDP, który realizuje podobną funkcjonalność w stosunku do urządzeń PD nowego standardu PoE+ (Typ 2). Nowe rozwiązanie bazuje na pojedynczym zdarzeniu.

LLDP

Rys. 2. Przykładowa aplikacja PoE+ zawierająca sterownik PSE LTC4266 i układ kontrolera PD LTC4269 zapewniająca wysoką funkcjonalność i sprawność konwersji energii

Link Layer Discovery Protocol (LLDP) to nazwa sprzętowego systemu klasyfikacji i komunikacji pomiędzy LD i PSE definiującego nową warstwę komunikacji nazwaną Layer 2. Po podłączeniu urządzenia PSE i PD mogą wykorzystać LLDP do określenia wymagań na moc ze strony PD.

Co więcej, tym razem badanie nie jest wykonywane jednokrotnie na początku i może być powtarzane co jakiś czas po to, aby analizować bieżący status odbiornika i jego zapotrzebowanie bieżące na moc zasilającą.

Taki mechanizm zapewnia dynamiczną alokację i przydział mocy nie według potrzeb maksymalnych, które pojawiają się tylko chwilowo przez ułamek czasu pracy, ale dopasowanych do chwilowego obciążenia. Komunikacja za pośrednictwem protokołu Layer 2 dostarcza także więcej informacji na temat mocy szczytowej i średniej pobieranej przez odbiornik, co w większym stopniu wspiera trendy techniczne związane z oszczędnością energii.

LLDP jest wprawdzie mechanizmem opcjonalnym, ale zapewnia urządzeniom PD możliwość wynegocjowania wyższego poboru mocy niż starszy mechanizm bazujący na systemie pytań i odpowiedzi opisany powyżej. Należy oczekiwać, że stanie się on dominującą formą komunikacji w PoE+. Na rysunku 1 zilustrowano działanie obu opisanych metod klasyfikacji wykorzystywanych w PoE+.

WYMAGANIA PRĄDOWE

W systemach PoE można wyróżnić dwie lokalizacje, gdzie następuje definiowanie mocy zasilającej: na zaciskach wyjściowych PSE i gnieździe wejściowym PD. Oba te elementy muszą być obecnie zdolne do przeniesienia prądu o wartości sięgającej 600mA. PSE musi być natomiast zdolne do dostarczenia 600mA prądu przy minimalnym napięciu 50V, co jest równoważne dostarczeniu 30W mocy do każdego gniazda wyjściowego. Maksymalna rezystancja kabla sieciowego została wyznaczona na 12,5Ω, co oznacza, że moc dostępna na zaciskach PD sięga 25W.

NOWE ROZWIĄZANIA STEROWNIKÓW

Podstawą większości rozwiązań PoE+ jest specjalizowany kontroler scalony, taki jak na przykład LTC4266 firmy Linear Technology, obsługujący 4 porty w urządzeniu PSE. Jest to też LTC4274 przeznaczony tylko do pracy z jednym portem. Oba układy sterowników są zgodne z IEEE 802.3at. W przypadku standardu 802.3af Linear proponuje układ LTC 4259A-I, zapewniający też wsteczną kompatybilność, co pozwala użytkownikowi dowolnie mieszać typy podłączanych odbiorników między PoE i PoE+ w ramach czterech dostępnych gniazd wyjściowych.

Moc wyjściowa układów sięga 30W na pojedynczej parze przewodów, do 100W na czterech parach. Wysoka funkcjonalność sterowników bazuje na zewnętrznych nowoczesnych tranzystorach MOSFET o niskich stratach, co zapewnia możliwość uzyskania dużej mocy wyjściowej bez konieczności stosowania radiatorów. Użycie elementów zewnętrznych ma także tę zaletę, że w przypadku awarii przerwa w zasilaniu dotyczy tylko jednego kanału, a nie wszystkich naraz (brak efektu domino).

Po stronie odbiornika Linear proponuje serię kontrolerów PD o różnych właściwościach. Typowym przykładem jest tutaj LTC4269 - sterownik kompatybilny z IEE 802.3at, ze zintegrowanym stabilizatorem dostarczający stabilizowanego napięcia wyjściowego 16V (rys. 2). Układ ma sprawność przetwarzania sięgającą 94% i realizuje szereg funkcji związanych z ograniczeniem prądu udarowego przy włączaniu, detekcję obecności napięcia, klasyfikację, funkcję łagodnego startu i wiele innych.

Inne układy sterownika PD wchodzące w skład opisywanej rodziny różnią się napięciem wyjściowym, liczbą koniecznych elementów zewnętrznych, liczbą napięć wyjściowych, a także wieloma szczegółami związanymi z topologią pracy stopnia mocy, możliwością synchronizacji i oczywiście także mocą wyjściową. Wszystkie układy sterowników nie wymagają do pracy optoizolatora, co zapewnia lepsze własności dynamiczne podczas szybkich zmian prądu obciążenia i lepszą sprawność.

Artykuł udostępniony przez Farnell we współpracy z firmą Linear Technology

Farnell
www.farnell.com/pl