Power-over-Ethernet (PoE) - Nieuwe IEEE 802.3bt Standaard verhoogt de technologie voor IoT-toepassingen

Er zijn veel artikelen en blogs geschreven over Power-over-Ethernet (PoE) technologie en het concept daarvan. Een voorbeeld is DigiKey's "Een inleiding tot Power-over-Ethernet" artikel.

Dit artikel analyseert en benadrukt de nieuwe functies die de nieuwste IEEE 802.3bt standaard introduceert in de huidige IoT-wereld (Internet of Things) waar alles ("de dingen") is aangesloten, gecontroleerd en gemonitord via het internet.

IEEE 802.3bt verbeteringen

De eerste en belangrijkste verbetering in de 802.3bt-norm is de mogelijkheid om veel meer vermogen over te dragen aan randapparaten (powered devices of PD's) - 71,3 W, terwijl er 90 W van de power sourcing equipment (PSE) kant wordt gestuurd.

Ten tweede ondersteunt het een overdrachtssnelheid van 10 Gb/sec van de netwerkapparaten over de Cat5e kabel.

Deze twee verbeteringen in de stroomtoevoer en de signaalsnelheid maken het mogelijk dat talloze nieuwe IoT en vooral IIoT (Industrial IoT) stroomhongerige en snelle apparaten worden aangedreven door PoE-technologie. Hieronder volgen enkele voorbeelden van deze nieuwe toepassingen:

• Professionele audio
• Digitale bewegwijzering
• 5G kleincellige radio-eenheden (Mobiele infrastructuur: 3G, 4G, 5G-technologieën)
• 802.11ac Draadloze toegangspunten (WAP's)
• Draadloze lokale netwerken met hoge doorvoersnelheid (WLAN's)
• Industriële toegangscontrole
• Verlichting
• Slimme woning
• Gebouwen/fabrieksautomatisering
• Punt van verkoop (POS) terminals
• Informatiekiosken
• Buiten IP-camera's met kachels
• Monitors/laptops
• Digitale plafondverlichting

Nieuwe kenmerken van IEEE 802.3bt

De nieuwe PoE IEEE 802.3bt standaard definieert een aantal nieuwe functies en verbeteringen ten opzichte van de oudere 802.3at standaard die resulteren in energiebesparingen en een verhoogde efficiëntie; waardoor opnieuw meer randapparaten gebruik kunnen maken van PoE-technologie.

Een IoT-platform bestaat in principe uit vier bouwstenen:

• Sensing/monitoring
• Verwerking (MCU)
• Connectiviteit (draadloos of bedraad)
• Voedingsbeheer

De nieuwe kenmerken/verbeteringen van de IEEE 802.3bt-norm zijn gunstig voor het hierboven genoemde energiebeheerblok van het ivd. Vier van deze nieuwe kenmerken/verbeteringen zijn onder andere short maintain power signature (MPS), autoclassificatie, single/dual signature van de PD, en uitgebreid vermorgen naar de PD, die in de onderstaande paragrafen verder worden besproken.

Short Maintain Power Signature (MPS) - MPS is het minimale stroomverbruik dat door een PD wordt opgenomen, dat de PD in leven houdt en niet door de PSE wordt losgekoppeld. De PSE is nodig om de stroom te verwijderen wanneer de MPS ten minste 400 ms afwezig is, zodat de ontkoppelde kabels niet onder spanning blijven staan.

Bovendien hebben bijna alle PD's in IoT-toepassingen een laag stroomverbruik of een lage slaapstand. Dergelijke PD's moeten een hogere stroom opnemen om van stroom te kunnen blijven voorzien, waarbij misbruik wordt gemaakt van het idee van een stand-bymodus met een laag stroomverbruik. Korte MPS pakt dit probleem aan door de duty cycle te verkorten en te bepalen hoe lang een stroomsignatuur moet worden opgewekt om een stroomaansluiting in stand te houden. Deze wijziging verbetert het minimale stand-by vermogen met een factor 10, waardoor IoT-randapparaten met PoE kunnen worden gevoed en een acceptabel stand-by vermogen hebben.

In IoT-toepassingen waar een groot aantal apparaten gebruik maken van PoE, zoals bijvoorbeeld LED-verlichting, is het verminderen van het stand-by vermogen van cruciaal belang.

Autoclass - Autoclassificatie maakt het mogelijk om de toewijzing van het PSE-voedingsbudget aan de PD beter te optimaliseren. In essentie "meet" de PSE de verliezen van de Ethernet-kabel en het stroomverbruik van de aangesloten PD gedurende een bepaalde periode, en "weet" deze PD van "werkelijke" stroom te voorzien in plaats van een hoger "toegewezen" vermogen dat door de PD-klasse wordt gedefinieerd. Hierdoor kan dezelfde PSE meer PD's aandrijven, en dus ook meer IoT-randapparaten.

Single/dual signature van de PD - De IEEE 802.3bt standaard ondersteunt twee PD constructies: single-signature PD en dual-signature PD. De PSE moet zowel PD's met single-signature en dual-signature ondersteunen.

Apparaten met dual-signature maken toepassingen mogelijk die hetzelfde maximale vermogen vereisen als apparaten met single-signature en bieden de extra flexibiliteit van verschillende en geïsoleerde belastingsconfiguraties. Een voorbeeld hiervan kan een buitenbewakingscamera zijn die samen met een verwarming of koelventilator moet worden gevoed om extreme temperatuursomstandigheden te controleren. Een ander voorbeeld zijn IIoT-toepassingen met redundante schakelingen die voor betrouwbaarheids- en veiligheidsdoeleinden worden gebruikt en afwisselend worden gevoed, maar niet tegelijkertijd.

Afbeelding 1 toont concepten met dual/single-signature.

Figuur 1: single/dual-signature concepten (Bron afbeelding: Microchip)

Meer technische informatie over IEEE 802.3bt dual-signature PD's is te vinden op de Ethernet Alliance (EA) website.

Uitgebreid vermogen naar de PD - De IEEE 802.3bt standaard definieert een maximaal vermogen van 90 W dat een PSE-apparaat kan verzenden en 71.3 W dat een PD-apparaat kan ontvangen. Deze vermogensvermindering van PSE naar PD houdt rekening met het maximale verlies van 19 W over de gehele kabellengte van de maximaal 100 meter die door de Ethernet-standaard zijn gedefinieerd. Met de nieuwe IEEE 802.3bt standaard kan de PD de kabelweerstand meten, het vermogen berekenen dat in de kabel verloren gaat en het vermogen hoog genoeg leveren om het "verspilde" 19 W maximumvermogen te compenseren dat door de 100 meter kabel wordt gedissipeerd. Als de afstand van PD tot PSE minder dan 100 meter is, kan er meer dan 71,3 W aan de PD worden geleverd. Als de kabellengte bijvoorbeeld in het bereik van 2 - 5 meter ligt, kan het vermogen dat de PD van de PSE kan ontvangen, dicht bij de 90 W liggen die de PSE verzendt.

IEEE 802.3bt stroomefficiëntieverbeteringen

Hoewel niet expliciet gedefinieerd door de 802.3bt-norm, maar dicht bij de ratificatie ervan en in de geest van de efficiëntie van het energiebeheer en de eisen van de IoT-toepassing, hebben verschillende toonaangevende PoE IC-leveranciers het ontwerp van hun chips verbeterd om de efficiëntie van het energiegebruik aan te pakken.

Afbeelding 2: PoE-bloktopologie (Beeldbron: Microchip)

Alvorens naar Afbeelding 2 te kijken, moet de functionaliteit van zowel het PSE als het PD worden gedefinieerd.

Voor de PSE kunnen de functionaliteitseisen als volgt kort worden samengevat:

• Detecteer een geldige PD
• Classificeer de vermogenscapaciteiten van de PD
• Geef 4 W tot 90 W vermogen aan de PD bij 44 tot 57 volt.
• Optimalisatie en allocatie van het vermogen uitvoeren
• Foutbewaking en ontkoppeling uitvoeren indien nodig
• Schakel de stroom naar de juiste poort uit als er een onderstroomtoestand wordt gedetecteerd.
• Zorg voor overspanningsbeveiliging
• Zorg voor isolatie van het schakelcircuit

Evenzo is een samenvatting van de functionaliteit van een PD als volgt:

• Zorg voor polariteitsbescherming
• Zorg voor handtekeningen voor detectie en correcte classificatie
• Optimalisatie van het vermogen
• Zorg voor isolatie
• Zorg voor een optionele bias voor DC/DC-opstarten
• Zet 57 V om naar de vereiste geregelde voedingsspanning die door de toepassing wordt gebruikt.

Zoals te zien is in Afbeelding 2 wordt de stroom van de PSE via de Ethernet-kabel naar de PD gestuurd. De PD's diodebrugchip corrigeert vervolgens de kabelspanning. Bij 2-paren PoE-systemen kan de spanning zowel over de dataparen als over de reserveparen worden geleverd, maar niet over beide. In 4-paar PoE-systemen, gedefinieerd door IEEE 802.3bt, worden alle paren gevoed.

Daarom zijn er twee bruggen nodig in de PD (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Twee bruggen in de PD (Bron afbeelding: Analog Devices/Linear Tech)

De conventionele diodebrugoplossing heeft een aantal nadelen:

• Hoog stroomverlies veroorzaakt door de daling van de kabelspanning
• Hoge warmte-afvoer
• Vereist extra thermische ontwerpoverwegingen

Vanwege de bovenstaande nadelen is het gebruik van traditionele diodebruggen in veel IoT-toepassingen zeer problematisch, zo niet onmogelijk.

Een efficiëntere oplossing dan de diodebrug is de zogenaamde IdealBridge^™, eerst geïntroduceerd door Microsemi (nu Microchip). Deze oplossing is een N-kanaals MOSFET-gebaseerde brug met een controller.

De verschillen tussen een dubbele conventionele diodebrug en een enkele IdealBridge zijn weergegeven in Afbeelding 4.

Afbeelding 4: Dubbele conventionele diodebrug vs. een enkele IdealBridge™ (Bron afbeelding: Microchip)

De voordelen van de IdealBridge zijn onder andere:

• De volledig geïntegreerde oplossing verlaagt de BOM - Bespaart PCB-ruimte en vereenvoudigt de implementatie
• Zelfrijdende circuits voor MOSFET's
• Laag R_DS(ON), laag stroomverbruik
• Maximale vermogensefficiëntie - zorgt voor een hoger uitgangsvermogen en een hogere spanning
• Vermindert dramatisch de warmteafvoer, waardoor thermische ontwerpproblemen en de noodzaak van een koellichaam worden geëlimineerd.
• Werkt met 2-paars- en 4-paars-PoE-toepassingen
• Compatibel met de IEEE 802.3xx-normen

Microsemi/Microchip introduceerde de eerste "IdealBridge™"-oplossing met de PD70224. Andere vergelijkbare oplossingen van andere leveranciers zijn Analoge Apparaten/Lineaire Tech's LT4321, ON Semiconductor’s FDMQ8205A 1-kanaals ideale diode (geen brug), en STMicroelectronics" PM8805 geïntegreerde oplossing (IdealBridge geïntegreerd in een PD IC-chip).

Conclusie

De nieuwste IEEE 802.3bt standaard voegt nieuwe functies toe aan de PoE-technologie en verbetert de bestaande. Deze functies verbreden het bereik van de randapparaten die kunnen worden aangesloten met behulp van het PoE-concept, waardoor veel nieuwe IoT-toepassingen worden ondersteund.

Ter ondersteuning van niet-PoE-infrastructuren zijn er verschillende tussenoplossingen zoals midspans/injectoren en vermogenssplitsers. Het is echter belangrijk op te merken dat IEEE 802.3bt een vrij nieuwe norm is en veel leveranciers hebben producten op dit gebied aangeboden voordat het eind 2018 werd geratificeerd. Om de voordelen van de nieuwe functies van de IEEE 802.3bt te benutten en de interoperabiliteit tussen de leveranciers te behouden, moeten de onderdelen en de producten gekwalificeerd zijn voor deze IEEE 802.3bt standaard, die expliciet moet worden vermeld in de datasheets.