High-power Power Over Ethernet ontwerpen met kant-en-klare IEEE 802.3bt oplossingen

Sinds Power over Ethernet (PoE) in 2003 werd geïntroduceerd, is de capaciteit ervan enorm verbeterd, van de 15,4 watt die aanvankelijk konden worden geleverd naar 30 watt, maar het punt is dat ontwerpers steeds meer vermogen nodig hebben voor hun toepassingen. Een nieuwe wijziging van de PoE-specificatie, IEEE 802.3bt, komt aan deze behoefte tegemoet door maximaal 60 watt (en in sommige toepassingen maximaal 90 watt) op de stroombron mogelijk te maken.

Deze wijziging werd eind 2018 geratificeerd. De eerste commerciële geïntegreerde Power Sourcing Equipment (PSE)-controllers en Powered Device (PD)-interfaces zijn nu beschikbaar en stellen ontwerpers in staat om te profiteren van wat nu “High-Power PoE” wordt genoemd.

In dit artikel wordt eerst beschreven hoe IEEE 802.3bt verschilt van eerdere versies van PoE, gevolgd door een introductie van de geïntegreerde PSE-controllers en PD-interfaces van Microsemi, Texas Instruments (TI), Linear Technology en Nexperia. Er wordt beschreven hoe deze apparaten het best kunnen worden toegepast om een systeem te bouwen en er wordt nader ingegaan op belangrijke aspecten zoals circuitbescherming en ontwerp- en lay-outvereisten.

Wat is IEEE 802.3bt?

De originele standaard (IEEE 802.3af) gaf een specificatie van maximaal 15,4 watt bij de voedingsbron, wat voldoende was voor toepassingen zoals IP-telefoons en Wi-Fi-toegangspunten, maar niet voor latere toepassingen zoals IP-videotelefoons of pan-tilt-zoom (PTZ) camera's. De in 2009 doorgevoerde wijziging van de specificatie (IEEE 802.3at) loste dat probleem op met een specificatie van 30 watt bij de voedingsbron. In de afgelopen jaren was een stijgende vraag te zien naar steeds meer vermogen voor de ondersteuning van op Ethernet aangesloten toepassingen zoals terminals in verkooppunten (point of sale, POS), IEEE 802.11ac toegangspunten en ledverlichting in netwerken.

Om aan de behoefte aan meer vermogen tegemoet te komen, verhoogt de nieuwe IEEE 802.3bt-wijziging van de voorgaande PoE- en PoE+-specificatie (High-Power PoE) het minimale PSE-uitgangsvermogen en het minimale PD-ingangsvermogen. De grootste verandering is dat de stroom over alle vier de twisted pairs in een Cat5e Ethernet-kabel kan worden gevoerd. PoE en PoE+ gebruikten slechts twee van de twisted pairs: ofwel de datalijnen in “Alternative A”-toepassingen ofwel reservelijnen in “Alternative B”-toepassingen. (Zie het artikel in de DigiKey bibliotheek, “Een inleiding op Power-over-Ethernet”.)

De nieuwe specificatie leidde ook tot de introductie van PSE's en PD's van “Type 3” en “Type 4” (die respectievelijk 60 watt en 90 watt aankunnen) en aanvullende klassen (5-8) voor uitgangs- en ingangsvermogen (Tabel 1). De ontwerper moet er rekening mee houden dat de wijziging is ontworpen om te voldoen aan de vereisten met betrekking tot een beperkte voedingsbron en zeer lage veiligheidsspanning (ZLVS) van ISO/IEC 60950, die het vermogen tot maximaal 100 watt per poort beperken.

Tabel 1: Vergelijking van High-Power PoE (IEEE 802.3bt) met PoE (IEEE 802.3af) en PoE+ (IEEE 802.3at). IEEE 802.3bt introduceert een hoger vermogen, nieuwe types PSE's en PD's en nieuwe klassen. (Bron tabel: Microsemi)

De verbeteringen van IEEE 802.3bt

Naast het hogere vermogen dat High-Power PoE mogelijk maakt, introduceert de specificatie ook andere functies. Belangrijke verbeteringen zijn onder meer:

• Automatic Class-functionaliteit
• Ondersteuning laag standby-vermogen
• Uitbreiding van de vermogenscapaciteit indien de lengte van het kanaal (kabel) bekend is

Automatische classificatie (of “Autoclass") is een nieuw (optioneel) classificatiemechanisme dat uniek is voor High-Power PoE en dat een PD in staat stelt om zijn daadwerkelijke maximale stroomverbruik aan de PSE te communiceren, waardoor de PSE het energiebudget precies kan afstemmen op dat niveau (plus enige reserve voor kanaalverliezen en een 'veiligheidsmarge'), voor een betere systeemefficiëntie.

Voor de stroomvoorziening van toepassingen met strenge standby-vereisten brengt High-Power PoE een significante wijziging met zich mee met betrekking tot de minimale duur van gepulseerde stroom die wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat de PSE stroom behoudt. Voorheen gebruikten PD's van type 1 en 2 een zogenaamde “Maintain Power Signature” (MPS) bestaande uit een gepulseerde stroom van 10 milliampère (mA) voor tenminste 75 milliseconden (ms) iedere 325 ms, en een AC-impedantie lager dan 26,3 kilo ohm (kΩ) parallel met 0,05 microfarad (μF). De verandering die de IEEE 802.3bt-specificatie met zich mee brengt (en die van toepassing is op PSE's van type 3 en 4) resulteert in een pulsduur van ongeveer 10 procent van die van PSE's van type 1 en type 2.

Een andere belangrijke verandering is de vermogensuitbreiding. De PD meet de kabelweerstand en berekent het vermogensverlies en op grond daarvan de vermogensreserve die nodig is om te verzekeren dat de PD het minimale ingangsvermogen ontvangt dat in de specificatie is vastgelegd. In het slechtste geval zal deze gelijk zijn aan de vermogensreserve die door de voorgaande amendementen werd gespecificeerd, maar in praktische toepassingen zal hij waarschijnlijk lager zijn, waardoor energie wordt bespaard.

High-Power PoE opstartprocedure

De introductie van vier extra klassen voor PSE-uitgangsvermogen (klassen 5 tot 8) en bijbehorend PD-ingangsvermogen, samen met de twee nieuwe typen (type 3 en 4) voor PSE en PD hebben de opstartprocedure voor de technologie ingewikkelder gemaakt. Dit heeft implicaties voor ontwikkelaars die High-Power PoE-systemen ontwerpen en kunnen van invloed zijn op de keuze van de PSE-controller.

Over het algemeen wordt een apparaat dat voldoet aan IEEE 802.3af of IEEE 802.3at aangeduid als apparaat van type 1 (klasse 0-3) of type 2 (klasse 4). Apparaten die voldoen aan IEEE 802.3bt worden aangeduid als apparaten van type 3 (klasse 5, 6) of type 4 (klasse 7, 8). High-Power PoE definieert een methode voor veilige stroomvoorziening door een PSE aan een PD via een kabel, waarbij de stroom wordt uitgeschakeld als een PD van de kabel wordt losgekoppeld.

IEEE 802.3bt omvat ook een inschakelstroom- en tijdbeperking om compatibiliteit tussen PSE's en PD's van alle typen of klassen te garanderen. De inschakelstroomlimiet is 400 tot 450 mA voor klasse 0 tot 4, 400 mA tot 900 mA voor klasse 5 tot 6, en 800 mA tot 900 mA voor klasse 7 tot 8. De PSE-inschakelstroomlimiet geldt tot 75 ms na inschakeling, waarna de PSE van type 2, 3 of 4 een hogere uitgangsstroom ondersteunt, in overeenstemming met de classificatie.

De High-Power PoE opstartprocedure begint met de PSE die de stroom uitschakelt terwijl hij een controle uitvoert om te zien of er iets op de kabel is aangesloten. Vervolgens classificeert de PSE de PD alvorens het door de PD gevraagde vermogen te leveren, of het maximumvermogen van de PSE indien deze niet over voldoende capaciteit beschikt om volledig aan de stroomvraag van de PD te voldoen. Er bestaat ook een vierde bedrijfsstatus die door PSE's van type 3 en 4 wordt gebruikt om te controleren of de PD op elk twisted pair dezelfde classificatie-signatuur heeft.

Aangezien het een optioneel kenmerk betreft, wordt Autoclass niet ondersteund door alle PSE's en PD's die aan High-Power PoE voldoen. Daarom dient het gegevensblad te worden gecontroleerd als de functionaliteit deel uitmaakt van de specificatie voor het systeem van de ontwikkelaar. De PD70210ILD-TR front-end PD interface-controller van Microsemi is een product dat deze functionaliteit ondersteunt via zijn “Enhanced Classification Block”. De PD70210ILD-TR identificeert ook welke van de vier paren van de kabel daadwerkelijk stroom ontvangen en genereert passende flags (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: de PD70210ILD-TR front-end PD interface-controller van Microsemi bevat een zogenaamd Enhanced Classification Block (verbeterd classificatieblok) om de classificatie van in High-Power PoE geïntroduceerde nieuwe klassen en PD-typen te vergemakkelijken. De chip is ook in staat om te bepalen welk van de vier twisted pairs van de kabel daadwerkelijk stroom ontvangt. Dit gebeurt via de SUPP_S1 en SUPP_S2 pinnen. (Bron afbeelding: Microsemi)

Een PSE die Autoclass implementeert controleert eerst of de PD de functie ondersteunt door te checken of de klasse-stroom na korte tijd naar het niveau van klasse 0 daalt. Als de functie wordt ondersteund, kan de PSE onmiddellijk na inschakeling overgaan tot de Autoclass-meting, waarbij aan de PD wordt gevraagd gedurende de erop volgende 1,35 tot 3,65 seconden zijn hoogste vermogen op te nemen. Nadat hij eenmaal is gestart moet de PD een MPS presenteren om de PSE te verzekeren dat hij nog steeds is aangesloten. Bij verlies van MPS wordt de PSE getriggerd om de voeding uit te schakelen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: het opstartproces van High-Power PoE is complexer dan dat van voorgaande versies vanwege de introductie van nieuwe PSE- en PD-klassen en -typen. Hier zijn de drie hoofdfasen van het proces (detectie, classificatie en werking) te zien, alsmede de ingangsspanningen waarbij deze optreden. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Nieuwe controllers voldoen aan de High-Power PoE-specificatie

Sinds de ratificering van PoE hebben ontwikkelaars niet te klagen gehad over de beschikbaarheid van geïntegreerde PSE-controllers en PD-interfaces waarop hun ontwerpen kunnen worden gebaseerd. Die trend wordt met IEEE 802.3bt voortgezet. Dankzij fabrikanten die producten zo hebben ontworpen dat ze al aan de conceptversie van de specificatie voldeden, zijn er reeds verschillende PSE-controllers en PD-interfaces op de markt, naast het hierboven beschreven apparaat van Microsemi.

Linear Technology biedt bijvoorbeeld de LTC4291-1/LTC4292 chipset. De componenten zijn ontworpen met het doel te worden gecombineerd en zo PSE-controllers van het type 3 of 4 te vormen. Vermogensbeheerfuncties zijn onder meer 14-bit stroombewaking per poort, programmeerbare stroomlimiet en flexibele uitschakeling van vooraf geselecteerde poorten. PD-detectie gebruikt een propriëtair multipoint-detectiemechanisme om onjuiste PD-identificatie te helpen voorkomen. Autoclass wordt ondersteund en de chipset is pin- of I2C-programmeerbaar om tot 71,3 watt te verkrijgen op de PD.

De LTC4291-1/LTC4292-chipset valt op door zijn integratieniveau; vrijwel alle circuits die nodig zijn voor implementatie van een PSE-ontwerp dat voldoet aan IEEE 802.3bt worden meegeleverd en er zijn slechts een paar extra randapparaten nodig. Het apparaat is opgesplitst in twee chips (processor plus voeding) om de PSE-isolatie te vereenvoudigen. Hierbij mag de LTC4291-1 aan de niet-geïsoleerde kant zitten, waar hij stroom kan ontvangen van de voeding van de hoofdlogica en direct verbinding kan maken met de I²C/SMBus-bus. De chipset gebruikt een propriëtair isolatieschema voor communicatie tussen chips, waarin opto-isolators en geïsoleerde voedingen zijn vervangen door goedkope transformators. De transformators zijn 10BASE-T- of 10/100BASE-T-units met een verhouding van de wikkelingen van 1:1 en common-mode smoorspoelen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: de LTC4291-1/LTC4292 IEEE 802.3bt PoE PSE-controller met vier poorten van Linear Technology implementeert propriëtaire isolatie die het ontwerp vereenvoudigt doordat opto-isolators en geïsoleerde voedingen worden vervangen door goedkope transformators. (Bron afbeelding: Linear Technology)

Om optimaal van High-Power PoE te profiteren heeft een PD een interface van type 3 of 4 nodig, anders zal de PSE alleen het maximale door IEEE 802.3af gedefinieerde vermogen van 15,4 watt leveren (12,95 watt op de PD). Een optie voor deze interface is de TPS2372-4RGWT van TI die over alle kenmerken beschikt die nodig zijn om een IEEE 802.3bt 4 PD-interface van type 1 tot type 4 te implementeren.

Een lage interne schakelweerstand stelt de TPS2372-3 en TPS2372-4 in staat om High-Power PoE-toepassingen tot respectievelijk 60 watt en 90 watt te ondersteunen, en de automatische MPS-functie maakt toepassingen mogelijk die standby-modi met zeer laag stroomverbruik vereisen. Merk op dat de IEEE 802.3bt MPS-vereiste voor de PD van toepassing is op het PSE-uiteinde van de kabel. Dit betekent dat, afhankelijk van de kabellengte en andere parameters waaronder de bulkcapaciteit, een langere MPS-duur nodig kan zijn om te controleren. Voor dat doel heeft de TPS2372 drie verschillende selecties van MPS-pulsduur en arbeidscyclus, die kunnen worden geselecteerd via de ingangspin MPS_DUTY.

De TPS2372 implementeert inschakelstroomniveaus die compatibel zijn met alle PSE-typen. De chip implementeert ook een vertragingsfunctie om de PSE in staat te stellen om zijn inschakelfase te completeren alvorens de Power Good (PG)-uitvoer te leveren, om te verzekeren dat aan de opstartvereisten van de IEEE 802.3bt wordt voldaan. De ingang voor het activeren van Autoclass van de chip biedt toegang tot alle geavanceerde systeemmodi voor vermogenoptimalisatie die in de IEEE 802.3bt-standaard zijn gespecificeerd.

Aan de slag met high-power PoE

Bij het gebruik van een in hoge mate geïntegreerde chipset zoals de LTC4291-1/LTC4292, is een groot deel van de ontwerpuitdagingen al opgelost door de siliciumleverancier, maar moet de ontwerper zelf ook nog enig werk verrichten, bijvoorbeeld de keuze van de externe componenten, waarbij zorgvuldig te werk moet worden gegaan, en de lay-out van de pc-kaart. Vaak worden hierbij de algemene ontwerprichtlijnen voor PoE-systemen gevolgd, maar worden er componenten geselecteerd die geschikt zijn voor de hogere spannings- en stroomniveaus van High-Power PoE.

Voor de V_DD- en V_EE-lijnen van Afbeelding 3 zijn voorbeeld een digitale voeding en PoE-hoofdvoeding nodig. V_DD vraagt 3,3 volt en V_EE vraagt een negatieve spanning tussen de –51 en –57 volt voor PSE's van type 3 en –53 tot –57 volt voor PSE's van type 4. Er moet een keramische ontkoppelingscondensator van minstens 0,1 μF tussen V_DD en DGND worden geplaatst, zo dicht als praktisch gezien mogelijk is bij elke LTC4291-1. Om de vereiste isolatie te behouden, moeten LTC4292 AGNDP en LTC4291-1 DGND niet worden aangesloten.

V_EE is de geïsoleerde PoE hoofdvoeding die de stroom aan de PD's levert. Omdat hij een relatief grote hoeveelheid stroom levert en aan grote piekstromen onderhevig is, moet meer zorg aan het ontwerp worden besteed dan bij een eenvoudige logische voeding. Voor de beste systeemefficiëntie moet V_EE op vrijwel de maximumamplitude (57 volt) worden ingesteld, waarbij net genoeg marge wordt gelaten om rekening te houden met tijdelijke over- of undershoot, temperatuurschommeling en lijnregeling. Er is een elektrolytische bulkcondensator van minstens 47 μF nodig tussen AGNDP en V_EE om storingsresets in het geval van piekstromen tot het minimum te beperken.

De keuze van een externe MOSFET is een andere belangrijke beslissing die de ontwikkelaar bij het ontwerpen moet nemen. Deze MOSFET vormt het stroomschakelapparaat dat de PSE-uitgang bestuurt. De componentkeuze heeft een groot effect op de systeembetrouwbaarheid; de ontwerper dient het veilige werkgebied (SOA) van de MOSFET te analyseren en te testen voor de verschillende PSE-stroomlimietcondities. Linear Technology raadt de Nexperia PSMN075-100MSEX aan voor PSE's die zijn geconfigureerd om tot 51 watt aan de PD te leveren, of de PSMN040-100MSEX voor 71,3 watt op de PD, aangezien deze MOSFET's bewezen hebben betrouwbaar te zijn in PoE-toepassingen.

De LTC4291-1/LTC4292 chipset is ontworpen voor een stroomdetectieweerstand van 0,15 Ω per kanaal. De ontwikkelaar moet twee parallelle weerstanden van 0,3 Ω toevoegen, geplaatst zoals te zien is op Afbeelding 4. De stroommetende weerstanden moeten een tolerantie van ±1 procent of beter hebben, en een temperatuurcoëfficiënt van niet meer dan ±200 deeltjes per miljoen (ppm)/°graden Celsius (C) om aan de High-Power PoE-specificatie te voldoen.

Afbeelding 4: de vereiste boven- en onderlaag detectieweerstandsblok-lay-out voor de LTC4292. De keuze en plaatsing van de detectieweerstand (RSTx) zijn van essentieel belang om aan de High-Power PoE-specificatie te voldoen. (Bron afbeelding: Linear Technology)

Voor elke poort is een condensator van 0,22 μF nodig over OUTnA en OUTnB naar AGNDP (zie nogmaals Afbeelding 3) om de LTC4292 stabiel te houden wanneer deze op de stroomlimiet werkt gedurende het opstarten of bij overbelasting. Aanbevolen wordt keramische X7R-condensators met een nominale spanning van minstens 100 volt te gebruiken en deze dicht bij de LTC4292 te plaatsen.

Ethernet-poorten kunnen te lijden hebben van significante elektrische piekstromen. Overspanningsbeveiliging voor PoE-systemen is een onderwerp dat een apart artikel zou vereisen, in ieder geval is er minimaal een bulkspanningsonderdrukker vereist, zoals een overspanningsbeveiligingsdiode (TVS - (transient voltage suppression) (TVS_BULK) en bulkcondensator (C_BULK) om piekstromen en - spanningen voor iedere poort tot veilige niveaus te beperken (Afbeelding 5). Ook is een serieweerstand van 10 Ω (R1) van de voeding-AGND naar de LTC4292 AGNDP-pin nodig. Over de AGNDP-pin van de LTC4292 en de V_EE-pin behoren een TVS-diode (D1) van 58 volt en een bypasscondensator van 1 μF, 100 volt (C1) te worden geplaatst, dicht bij de pinnen van de LTC4292. Tot slot is voor elke poort een stel S1B-klemdiodes nodig: een van de OUTnM naar de AGND van de voeding en een van OUTnM naar V_EE van de voeding. Deze voeren eventuele elektrische piekstromen naar de voedingsrails waar ze worden geabsorbeerd door de piekstroomonderdrukkers.

Afbeelding 5: PSE-controllers vereisen bescherming tegen elektrische piekstromen. Hier is de LTC4292 van Linear Technology te zien, voorzien van de vereist vereiste spannings-/stroomonderdrukkers en componenten om piekstromen weg te leiden van gevoelige chips. (Bron afbeelding: Linear Technology)

Op de PD-interface maakt het hoge niveau van integratie voor chips als de TPS2327 van TI het leven wederom iets gemakkelijker voor ontwikkelaars, maar ook hier is nog een aantal externe componenten vereist (Afbeelding 6).

Er zijn bijvoorbeeld diodes nodig op de kabelingang naar de PD-interface. Voor de TPS2327 raadt TI voor High-Power-PoE-toepassingen discrete Schottky bridge-diodes van 3 amp tot 5 amp, 100 volt nominaal aan in plaats van conventionele diodes, omdat de vermogensdissipatie in de diodes 30 procent lager is. Iets waar de ontwikkelaar rekening mee moet houden is dat Schottky-diodes vaak een hogere omgekeerde lekstroom hebben dan normale PN junctiediodes, waardoor het moeilijk wordt om te voldoen aan de maximale backfeed-spanning van 2,8 volt die in de specificatie is gedefinieerd. Om dit te compenseren, moeten voor deze implementatie conservatieve diode-temperatuurlimieten en apparaten met lage lekstroom worden gebruikt. Schottky-diodes zijn ook gevoeliger voor elektrische piekstromen dan conventionele diodes dus wordt geadviseerd spannings-/stroombeveiliging in de vorm van ferrietkralen en condensators te gebruiken.

De IEEE 802.3bt-specificatie voorziet een ingangsbypasscondensator van 0,05 tot 0t12 μF (meestal een keramische condensator van 0,1 μF, 100 volt, ±10%) over VDD naar VSS. De specificatie schrijft ook een detectieweerstand, R_DEN, classificatieweerstanden R_CLSA en R_CLSB en MPS-weerstand R_MPS voor. Er wordt een weerstand van 24,9 kΩ, ±1% aanbevolen voor R_DEN. De classificatieweerstanden worden aangesloten van CLSA en CLSB naar VSS om de classificatiestroom in overeenstemming met de IEEE 802.3bt-standaard te programmeren. De waarde van deze weerstanden en het toegewezen klassevermogen worden bepaald door het gemiddelde maximumvermogen dat de PD gedurende de werking opneemt. R_MPS stelt de MPS-arbeidscyclus in; een weerstand van 1,3 kΩ stelt de arbeidscyclus bijvoorbeeld in op 26,4%. Kortsluiten van MPS_DUTY met RSS stelt de arbeidscyclus in op 12,5%.

De High-Power PoE PD-interface vereist ook spanningsonderdrukking over vermogenslijnen via een TVS-diode en bulkcondensator (D1, C_BULK) om elektrische piekstromen aan dit uiteinde van de kabel te absorberen.

Afbeelding 6: het toepassingsschema voor de TPS2372 High-Power PoE PD-interface van TI toont de perifere componenten die nodig zijn om het ontwerp te completeren — primair ingangsdiodes, onderdrukkingsapparaten en detectie-, classificatie- en MPS-weerstanden. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Er zijn veel ontwerprichtlijnen die als doel hebben ervoor te zorgen dat de lay-out van de pc-kaart, de plaatsing van de onderdelen en de routeringsvereisten voldoen aan de vereisten van de IEEE 802.3bt-specificatie voor wat betreft parametrische meetnauwkeurigheid, systeemstabiliteit en thermische dissipatie. Zowel Linear Technology als TI bieden referentie-ontwerpen voor hun PSE/PD-interfaces die aan de specificatie voldoen en die een nuttige gids vormen voor de ontwikkelaar.

Conclusie

High-Power PoE zorgt voor een uitbreiding van de toepassingen van PoE en een verbetering van de efficiëntie. Aan de andere kant heeft High-Power PoE de implementatie ingewikkelder gemaakt door de introductie van meer PSE-controller en PD-interfacetypen en -klassen, alsmede extra bedrijfs- en veiligheidskenmerken.

Om de ontwerper te helpen, bestaan er geïntegreerde PSE-controller en PD-interface-oplossingen die deze functies standaard bevatten. Deze oplossingen vereenvoudigen en versnellen het ontwerpproces aanzienlijk doordat er minder perifere componenten nodig zijn om het systeem te completeren.