Fundamentos de Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) transporta energia DC de curta distância (até 100 metros) através de cabos Ethernet entre Power Sourcing Equipment (PSE) e Powered Devices (PDs).
[Nota do editor:a conveniência de fornecer energia e dados pelo mesmo cabo é atraente, e assim como o USB se tornou uma fonte onipresente de energia para muitos dispositivos de consumo, o Power over Ethernet (PoE) traz vários benefícios para empresas comerciais e industriais formulários. O artigo anterior desta série de duas partes descreveu a função da PoE em alguns desses aplicativos. ]

De acordo com a National Fire Protection Association (NFPA), a terceira principal causa de incêndios comerciais nos Estados Unidos são os equipamentos elétricos e de iluminação. A causa raiz típica é fiação velha ou defeituosa, circuitos sobrecarregados, conexões soltas, fusíveis com defeito, cargas elétricas desequilibradas e muitos outros problemas elétricos ou de iluminação. Isso pode levar ao superaquecimento, resultando em faíscas que podem causar um incêndio.

A energia da rede elétrica transporta energia CA de longa e curta distância por meio de três fios de cobre isolados:vivo, neutro e terra. O fio energizado carrega a diferença de potencial alternada (120 VCA ou 230 VCA). O fio neutro completa o circuito e é mantido no ou próximo ao potencial de terra, ou 0V. O fio terra é um fio de segurança que liga o circuito à terra em caso de falha. Em suma, junto com os fusíveis e disjuntores, a rede elétrica dedica 33% de seu cobre total, o fio terra, à segurança.

Figura 1:Seção transversal de fio de cobre sólido de 2,5 mm2 (à esquerda), próximo ao cabo de cobre sólido 23 AWG CAT6 (à direita) na mesma escala (Fonte:Ethernet Alliance)

Power over Ethernet (PoE) transporta energia DC de curta distância (até 100 metros) através de cabos Ethernet entre Power Sourcing Equipment (PSE) e Powered Devices (PDs). Dependendo do padrão PoE, até oito fios de cobre são usados ​​para transportar energia CC, incluindo o caminho de retorno. Resumindo, o PoE não dedica cobre à segurança. Filosoficamente e arquitetonicamente, o padrão PoE move o controle de segurança do cobre (rede) para o silício. Existem dois benefícios aqui; o silício é muito mais barato do que o cobre e você pode codificar o silício. Você não pode codificar cobre.

Energia de 2 pares vs. Energia de 4 pares

A Ethernet usa o conector RJ45, que possui oito contatos. Eles são divididos em quatro pares diferenciais (diff) (Figura 2). Nas redes 10BASE-T (10 Mbps) e 100BASE-TX (100 Mbps), apenas dois dos quatro pares diff disponíveis são usados ​​para transferir dados, o que deixa dois pares sem uso. Em redes Gigabit Ethernet (1 Gbps), todos os quatro pares diff são usados ​​para transferência de dados.

Aproveitando a infraestrutura Ethernet 10/100/1000 existente, IEEE 802.3af (agora conhecido como PoE), que fornece 350 mA / par, 57 V max, e IEEE 802.3at, que fornece 600 mA / par, 57 V max (conhecido como PoE 1) fornecer energia usando esses pares não usados, implementando dois modos alternativos; Alternativa A ou B:

A. Alternativa A (PSE) ou Modo A (PD) transporta energia no diff. pares 2 e 3

B. Alternativa B (PSE) ou Modo B (PD) transporta energia no diff. pares 1 e 4

Enquanto isso, PoE 2, ou IEEE 802.3bt, opera com alimentação de 4 pares usando todos os quatro diff. pares a 960 mA / par até um máximo de 57. Isso atinge 90 Watts no PSE.

Figura 2:potência de 2 pares vs. potência de 4 pares

Classificação IEEE 802.3bt (90 W)

A Ethernet Alliance divide ainda mais os quatro tipos em oito classes distintas, representadas na Figura 3. Para o Power Sourcing Equipment (PSE), cada classe PoE 2 (5-8) é uma fatia de 15 W, enquanto cada classe PoE 2 é um 11 W fatia para o Powered Device (PD). A divisão mais fina de classes vs. tipos otimiza a eficiência de um PSE com várias portas para fornecer uma variedade de energia aos PDs conectados, especialmente conforme o número de portas PSE conectadas aumenta.

Figura 3:Classificação IEEE 802.3bt

Fases de provisionamento de energia IEEE 802.3af / at / bt

O provisionamento de energia PoE entre o PSE e o PD segue as cinco fases distintas, ilustradas abaixo e na Figura 4.

• Fase 1:Detecção
• Fase 2:Classificação
• Fase 3:Inicialização
• Fase 4:Operação
• Fase 5:Desconectar

O PSE contém um resistor Rsense em série com o caminho da corrente de retorno para medir qualquer afundamento de corrente realizado pelo PD. Há também um resistor de assinatura suspenso de 25k no PD, que é usado para notificar o PSE de uma detecção.

Figura 4:Fases de provisionamento de energia PoE (Fonte:Ethernet Alliance)

Fase 1. Detecção

Quando um PSE e PD são conectados por um cabo Ethernet, o PD apresenta um resistor pull down de 25 kΩ (Figura 4 à direita) para o PSE. O PSE então executa duas medições de corrente em uma janela de 500 milissegundos:

1) força V 2,8 V e meça I

2) força V 10 V e meça I

Calculando um ∆V / ∆I, se o PSE mede de 19 KΩ a 26,5 ΩK, o PSE pode aceitar a detecção como válida. Caso contrário, o PSE deve rejeitar a detecção. O benefício de realizar uma medição diferencial é que qualquer ruído circundante (agressor) será comum a cada medição e, portanto, será rejeitado (rejeição de modo comum).

Fase 2. Classificação

Durante a fase de classificação, um PD anuncia sua assinatura de classe solicitada, ou requisitos de energia, ao PSE. A Fase de Classificação é dividida em cinco eventos de classe ou intervalos de tempo, conforme ilustrado na Figura 5.

1) Assinatura de classe 0:1 mA a 4 mA

2) Assinatura de classe 1:9 mA a 12 mA

3) Assinatura de classe 2:17 mA a 20 mA

4) Assinatura de classe 3:26 mA a 30 mA

5) Assinatura de classe 4:36 mA a 44 mA

Figura 5. Assinaturas de classe produzidas pelo PD

Esta figura captura qual Assinatura de Classe (linha) é necessária durante cada Evento de Classe (coluna), a fim de identificar a classe PD (1 - 8). Por exemplo, um PD de Classe 7 fornecerá 40 mA durante o Evento de Classe 1, 40 mA durante o Evento de Classe 2 e 18 mA durante os Eventos de Classe 3 a 5. O PSE mede o afundamento de corrente do PD durante cada evento de tempo para aprender a Classe do PD.

O PSE é responsável por forçar as tensões representadas na Figura 6 abaixo, enquanto o PD é responsável por afundar até cinco níveis de corrente diferentes chamados assinaturas de classe.

Figura 6:Assinaturas de classe e níveis atuais

Autoclass

Conforme mostrado na Figura 5, o evento de classe 1 é mais longo do que os outros eventos de classe. Isso é exclusivo para 802.3bt e não é o caso com 802.3at ou 802.3af. Se o PD também for compatível com 802.3bt, o PD pode mudar para assinatura de classe 0 (1 a 4 mA) 81 milissegundos no Evento de classe 1, que informa ao PSE 802.3bt que o PD também é 802.3bt e suporta Autoclass.

Depois que o PD é ligado, ele fornece sua potência máxima por aproximadamente 1,2 segundos. O PSE mede a potência PD, adiciona alguma margem e isso se torna o novo nível de potência otimizado fornecido pelo PSE.

O Autoclass otimiza a alocação de energia PSE. Por exemplo, se um PD requer um máximo de 65W durante a operação, esse PD se identificaria como uma classe 8 para o PSE, a fim de garantir 65W no PD. Sem o Autoclass, o PSE alocaria 90W, para garantir que o PD receba 65W. Com o Autoclass, o PSE pode ler apenas 66,5 W (comprimento de cabo curto), + 1,75 W de margem =68,25 W de alocação. A economia de energia é de 21,75 W ou ~ 25%. Embora isso possa não parecer significativo, se o switch PSE tiver oito portas 802.3bt, o Autoclass pode otimizar cada porta (com uma variedade de comprimentos de cabo) para uma economia potencial total de centenas de Watts.

Fase 3:Inicialização

Durante a fase de inicialização, o PSE é responsável por limitar a corrente de inrush a 450 mA para as classes 1 a 4 e 900 mA para as classes 5 a 8.

Durante a fase de inicialização, o PD é responsável por limitar a corrente de carga a 400 mA para as classes 1 - 6 e 800 mA para as classes 7 - 8.

Fases 4-5:Operação, Desconexão e MPS

Maintain Power Signature (MPS) é uma função de keep alive, em que o PD absorve pulsos de corrente periódicos do PSE para informar ao PSE que o PD não foi desconectado. Se um PSE não receber um MPS do PD após 400 milissegundos, o PSE deve desconectar a alimentação do PD.

Diagrama de blocos de aplicativos IEE 802.3bt PD

A Figura 7 descreve um diagrama de aplicativo 802.3bt típico para um dispositivo energizado (PD). Movendo da esquerda para a direita, os transformadores AC acoplam os dados Ethernet 10/100/1000 a um processador próximo. A retificação de onda completa é realizada pelo GreenBridge ™ 2, consumindo menos energia do que a ponte de diodo de silício tradicional. O NCP1095 da ON Semiconductor ^® (pino 7), apresenta o resistor pull down de detecção de 25kΩ, enquanto os pinos 2 e 3 determinam os requisitos de energia do PD por classe (valores do resistor), comunicados ao PSE durante os eventos de classificação após a fixação. Os pinos 6, 8, 9 e 10 controlam coletivamente a proteção contra sobrecarga e sobrecarga de corrente (OCP) com um Rsense externo e pass gate. A comunicação de três bits com um processador complementar é realizada nos pinos 13, 15 e 16. O pino 14 PGO informa um dispositivo DCDC downstream quando a saída de energia é boa. O pino 4 permite que o NCP1095 seja ligado a partir de uma fonte auxiliar local, enquanto o pino 6 controla o Autoclass, um novo recurso do 802.3bt.

Figura 7:Diagrama de aplicativo 802.3bt

ON Semiconductor também oferece o controlador NCP1096, que integra o FET externo e o Rsense.

Você pode codificar silício

Fusíveis, disjuntores e fios de aterramento são instrumentos relativamente rombos para evitar incêndios elétricos, principalmente quando comparados com os recursos do IEEE 802.3bt. Os recursos de provisionamento de energia que oferece, como Classificação, Autoclass, inrush e MPS, são muito superiores. Por exemplo, com energia elétrica, roedores escondidos nas paredes ou no teto podem facilmente causar um incêndio elétrico sem qualquer aviso. Em contraste, se o PD não fornecer um MPS ao PSE a cada 400 ms, o PSE desconectará automaticamente a alimentação do PD.

Pode-se facilmente imaginar a codificação de um PSE para capturar desconexões não planejadas, o que aciona um sinalizador de alerta precoce para o departamento de TI, potencialmente evitando eventos catastróficos, como incêndios em edifícios. Enquanto isso, a Classificação e a Autoclass alocam de forma inteligente a potência exata que uma carga exigirá. Esta é uma forma muito segura e eficiente de distribuir energia. Como mencionado anteriormente, o silício é muito mais barato que o cobre e você pode codificar o silício, mas não pode codificar o cobre.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Power Notícias de eletrônicos.

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Bob Card é Gerente de Marketing das Américas, Grupo de Soluções Avançadas da ON Semiconductor.

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