Как питание по Ethernet (PoE) может выдавать 90 Ватт мощности?

Новый стандарт IEEE 802.3bt Power over Ethernet (PoE) позволяет стандартным кабелям Ethernet передавать мощность до 90 Вт, открывая двери практически для любого устройства Ethernet, работающего от одного кабеля Ethernet. Тем не менее, несмотря на то, что технологии PoE находятся на рынке более десяти лет, они часто окутаны облаком таинственности и путаницы.

Несмотря на то, что последний стандарт добавляет новые функции помимо увеличения мощности, он также более сложен, чем предыдущие стандарты. Но не забывайте, что эта статья познакомит вас с основами питания по Ethernet и некоторыми новыми функциями в стандарте 802.3bt, а также предоставит вам достаточную информацию, чтобы сделать понятными сложные документы PoE, заметки о приложениях и таблицы данных.

PoE подключение

На первый взгляд, питание по Ethernet звучит сложно: подайте большую мощность в кабель, предназначенный для передачи данных, не нарушая высокоскоростной трафик, по которому он идет. К счастью, стандарт Ethernet и конструкция кабеля значительно упрощают эту технологию. Как показано на рисунке ниже, внутри самого кабеля Ethernet находятся четыре витые пары проводов. Ethernet — это изолированная сеть, поэтому каждая витая пара подключается к преобразователю. Все, что делает PoE, — это подача постоянного напряжения (~ 54 В) на витые пары кабеля Ethernet через центральные отводы на преобразователях.

Внутри кабеля Ethernet находятся четыре витые пары проводов. IEEE 802.3af / at питает две из четырех витых пар, а IEEE 802.3bt питает все четыре витые пары.

В двухпарной конфигурации питания (802.3af, 802.3at) одна витая пара является положительной, а другая — отрицательной. В конфигурации с четырьмя парами питания (802.3bt) две витые пары являются положительными, а две — отрицательными. Оборудование источника питания (PSE) — это устройство, подающее питание на кабель, а устройство с питанием (PD) — это устройство, снимающее питание с кабеля.

Наконец, стандарты PoE позволяют PSE запитывать витые пары любой полярности. Следовательно, PD должен иметь входные мосты (диоды или полевые транзисторы) для установки полярности входящего напряжения.

Обнаружение

Теперь мы знаем, как подать питание на кабель Ethernet, чтобы источник питания мог просто отключить кабель всякий раз, когда что-то подключено, верно? Неправильно! Подача питания на устройство без PoE может повредить его. Power over Ethernet начинается с фазы обнаружения, на которой PSE определяет, является ли подключенное устройство PD, потребляющее мощность. Источник питания (PSE) подает на кабель Ethernet два напряжения от 2,7 до 10,1 В, а питаемое устройство (PD) представляет собой сопротивление 25 кОм, сигнализируя PSE о подключении реального PD в электрическую цепь (рисунок ниже).

Источник питания (PSE) подает напряжение от 2,7 до 10,7 В на кабель Ethernet и измеряет ток для проверки наличия действительной сигнатуры обнаружения 25 кОм.

Классификация

Как только реальный PD обнаружен, PSE и PD затем выполняют «аналоговое рукопожатие» (analog handshake), известное как «классификация», в котором питаемое устройство запрашивает «класс» мощности, а источник питания затем сообщает приемнику (PD), какой класс предоставляется. В технологии PoE при обсуждении мощности используются термины «тип» (type) и «класс» (class). Тип просто обозначает тип «аналогового рукопожатия» от PSE. Класс определяет максимальную мощность, которую PSE может передать по кабелю, и максимальную мощность, которую PD может потреблять от кабеля. Поскольку PoE соответствует стандарту Ethernet, длина кабеля может достигать 100 метров, поэтому в кабеле теряется значительная часть мощности. В таблице перечислены различные типы и классы PoE.

Стандарты IEEE PoE определяют мощность от источника питания PSE и мощность, подаваемую на приемник энергии PD

Начнем с простейшего классификационного «рукопожатия» типа 1 (рисунок ниже). PSE подает на кабель 15,5–20,5 В и измеряет ток, потребляемый PD. Из-за потерь в кабеле во время классификации PD будет получать от PSE 14,5-20,5 В. На основе текущего потребления PD, PSE определяет запрошенный класс PD и либо включает его, либо, если PSE не имеет достаточный запас по мощности и не подает питание.

Осциллограммы напряжения источника питания типа 1 type 1

Величина тока, потребляемого нагрузкой во время классификации, как ни странно, называется сигнатурой классификации или током классификации. 802.3bt определяет пять классификационных сигнатур, которые PD может использовать во время классификации.

Тип 2 основан на типе 1 путем добавления второго импульса классификации (рисунок ниже). Во время классификации нагрузка потребляет 40 мА (классификационный признак 4) для передачи сигнала класса 4 на источник питания. PSE типа 1 просто рассматривает это как запрос мощности класса 3 и переходит к питанию PD. PSE типа 2 реагирует на более высокий ток, понижая классификационное напряжение до «маркировочного» напряжения (метка), чтобы создать импульс. Затем он повторяет эту процедуру для создания второго импульса классификации и питания PD. Два импульса классификации сигнализируют PD о том, что PSE предоставил мощность класса 4.

Осциллограммы напряжения источника питания типа 4 type 4

PD, запрашивающий класс 4, может не получить его от PSE. Он может получить меньше, чем требовалось, за счет «снижения мощности», и ваша разработка должна будет обходиться меньшей мощностью. Мы рассмотрим это более детально через несколько абзацев.

Настал момент, которого мы ждали: классификация 802.3bt (рисунок ниже). Как вы уже догадались, он очень похож на типы 1 и 2; он просто добавляет больше импульсов классификации. Тип 3 увеличивает количество импульсов классификации до четырех, а тип 4 использует пять импульсов.

В классификации 802.3bt задействовано больше импульсов классификации

Когда нагрузка запрашивает мощность типа 3 или 4, она потребляет 40 мА (ток классификационной сигнатуры 4) для первых двух импульсов, а затем снижает свой ток до уровня классификационной сигнатуры 3, 2, 1 или 0 для последующих импульсов. Более низкий ток сообщает источнику питания, сколько мощности запрашивает нагрузка. Фактически, после третьего импульса PSE определил, сколько мощности требуется PD, а дополнительные импульсы просто сообщают PD, сколько мощности предоставляется PSE.

Если источник питания генерирует четыре импульса классификации, то нагрузка получает питание типа 3. Пять импульсов классификации сигнализируют, что PSE предоставляет питание типа 4 для PD. Другими словами, если PD запрашивает мощность класса 7 или 8, а PSE предоставляет тип 4, то PD получает запрошенную мощность. Аналогично, если PD запрашивает класс 5 или 6, а PSE предоставляет тип 3, тогда PD получает запрошенную мощность. Обладая этой информацией, вы теперь знаете ключевые аспекты классификации 802.3bt PoE.

Но подождите, что это за длинный первый импульс классификации, спросите вы? А что произойдет, если PSE не предоставит PD запрошенную мощность? Держите эту мысль, мы скоро доберемся до этого.

Понижение мощности

Большинство коммутаторов (свитчей) Ethernet с поддержкой PoE не обладают достаточной мощностью для полной мощности каждого порта Power over Ethernet, особенно 90 Вт на порт, что быстро накапливается. Стандарт PoE обеспечивает простой способ для источников питания по-прежнему обеспечивать питание приемников энергией, но с меньшей мощностью, чем запрошено, — это называется понижением мощности. Когда PSE понижает уровень PD, он присваивает ему более низкий тип, чем запрашивает PD. Поскольку PSE могут назначать тип PD только тогда, когда PD понижается до более низкого типа, ему автоматически назначается самый высокий уровень мощности в пределах этого типа. Давайте посмотрим на два примера того, как это работает.

Пример 1: PD запрашивает мощность класса 8, но PSE имеет доступную мощность только класса 6. В этом сценарии PSE понижает PD до типа 3, и PD получает мощность класса 6.

Питаемое напряжение с доступной мощностью класса 6 понижает мощность источника питания, запрашивающий класс 8, до типа 3, в результате чего источник питания выдает мощность класса 6

Пример 2: Приемник энергии запрашивает мощность класса 8, но источник питания имеет доступную мощность только класса 5. Поскольку PSE может понизить уровень PD только по типу, он не может назначить мощность PD класса 5. Если он предоставит мощность PD типа 3, PD будет назначена мощность класса 6. Вместо этого он должен понизить уровень PD до класса 4, мощности типа 2.

Питаемое устройство с мощностью класса 5 понижает мощность источника запрашивающий класс 8, до типа 2, в результате чего источник питания выдает мощность класса 4

Как разработчик, вы понимаете, что здесь важно распознавать различные варианты понижения мощности, доступные для источника питания (PSE), в зависимости от класса, запрашиваемого приемником. Приемник класса 8 может быть понижен до мощности класса 6, класса 4 и класса 3. Для обеспечения полной совместимости система PD должна работать на всех четырех уровнях мощности. В противном случае PSE отключит подключенный PD из-за слишком большого потребления энергии. Большинство устройств PD на рынке включают в себя какой-либо метод передачи полученного типа обратно на главный контроллер системы, которая потребляет энергию, например, два цифровых контакта или порт связи.

Подача питания

Подача питания — это завершающий этап приема энергии устройством. Спецификация IEEE PoE включает в себя пусковой ток, который может потреблять приемник энергии при включении питания. Большинство современных устройств PD имеют встроенное ограничение пускового тока. Все, что нужно сделать разработчику, — это соблюдать рекомендуемую входную емкость устройства частичного разряда и позволить ему позаботиться обо всем остальном самому.

Сохранение подписи и мощности

Предыдущие стандарты PoE включают концепцию поддержки сигнатуры питания (MPS). Если приемник энергии потребляет ток менее 10 мА, источник его отключает. Функция MPS позволяет PD потреблять короткие импульсы тока для поддержания соединения с PSE, когда система рабочее устройство находится в состоянии низкого энергопотребления.

Новый стандарт 802.3bt вводит более короткий импульс MPS для поддержания соединения PSE, позволяя PD переходить в состояние еще более низкого энергопотребления. Помните длинный импульс первого класса от PSE типа 3 или 4? Это сигнализирует подключенному PD, что PSE поддерживает короткие MPS, и PD может использовать короткие импульсы MPS для поддержания соединения.

Как и в случае с пусковым током, большинство устройств PD 802.3bt автоматически переключаются на короткую сигнатуру питания при подключении к PSE, поддерживающему эту функцию. Короткое MPS позволяет системе перейти в состояние с низким энергопотреблением при сравнении использования предыдущих стандартов PoE.

Autoclass, LLDP и итоги

Стоит упомянуть еще одну новую функцию в стандарте 802.3bt — автокласс (autoclass). С автоклассом PD потребляет максимальную мощно сть, которую он когда-либо может использовать, вскоре после включения. Это позволяет PSE измерять фактическую мощность, потребляемую устройством, и соответствующим образом корректировать распределение мощности. Устройство с питанием может запрашивать мощность класса 8 (90 Вт), но на самом деле потребляет только 80 Вт. С автоклассом источник питания может измерить это, а затем использовать «освобожденную» мощность 10 Вт для обеспечения других приемников энергии в системе.

Еще одна расширенная функция PoE — протокол обнаружения канального уровня (LLDP). В сетях Ethernet в течение многих лет используется протокол LLDP, чтобы коммутаторы и маршрутизаторы могли обнаруживать различные детали, используя уровень данных. PoE добавляет расширение к LLDP для PSE и PD, чтобы также передавать информацию через уровень данных. Например, LLDP позволяет PSE и PD повторно согласовывать мощность с шагом в одну десятую ватта, возможно, высвобождая мощность для источника питания или предоставляя приёмнику энергии немного больше мощности.

Стандарт 802.3bt предоставляет разработчикам систем PoE беспрецедентный уровень как реального, так и виртуального значения. Кроме того, он предоставляет несколько полезных новых функций, таких как короткий MPS, которые обеспечивают большую гибкость системам, подключенным через PoE. Благодаря повсеместному распространению сетей Ethernet и более высокой мощности 802.3bt PoE, все больше и больше систем будут использовать преимущества этой технологии для устранения внешних источников питания.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *