Power-over-Ethernet (PoE) - Neuer Standard IEEE 802.3bt fördert die Technologie für IoT-Anwendungen

Viele Artikel und Blogs sind über die Power-over-Ethernet (PoE)-Technologie und ihr Konzept geschrieben worden. Ein Beispiel ist Digi-Keys Artikel "Einführung in Power-over-Ethernet".

Dieser Artikel analysiert und hebt die neuen Funktionen hervor, die durch den neuesten IEEE 802.3bt-Standard in die heutige IoT-Welt (Internet der Dinge) eingeführt wurden, in der alles ("die Dinge") über das Internet verbunden, gesteuert und überwacht wird.

Verbesserungen von IEEE 802.3bt

Die erste und wichtigste Verbesserung des 802.3bt-Standards ist die Fähigkeit, viel mehr Leistung an Randgeräte (strombetriebene Geräte oder PDs) zu übertragen - 71,3 W, während von der Seite der Stromquellengeräte (Power Sourcing Equipment, PSE) 90 W gesendet werden.

Zweitens unterstützt es eine Übertragungsrate von bis zu 10 Gb/sec der Netzwerkgeräte über Cat5e-Kabel.

Diese beiden Verbesserungen der Leistungsabgabe und der Signalgeschwindigkeit ermöglichen es, unzählige neue IoT- und insbesondere IIoT- (Industrial IoT) leistungshungrige und schnelle Geräte mit PoE-Technologie zu betreiben. Im Folgenden sind einige Beispiele für diese neuen Anwendungen aufgeführt:

• Professionelles Audio
• Digitale Leitsysteme
• 5G-Kleinzellen-Funkgeräte (Mobile Infrastruktur: 3G-, 4G-, 5G-Technologien)
• 802.11ac Drahtlose Zugangspunkte (WAPs)
• Drahtlose lokale Netzwerke mit hohem Durchsatz (WLANs)
• Industrielle Zugangskontrolle
• Beleuchtung
• Intelligente Haustechnik
• Gebäude-/Fabrikautomation
• Point-of-Sale (POS)-Terminals
• Informationskioske
• IP-Kameras für den Außenbereich mit Heizung
• Bildschirme/Laptops
• Digitale Deckenbeleuchtung

Neue Funktionen von IEEE 802.3bt

Der neue Standard PoE IEEE 802.3bt definiert mehrere neue Funktionen und Verbesserungen im Vergleich zum älteren Standard 802.3at, die zu Energieeinsparungen und gesteigerter Effizienz führen; dadurch können wieder mehr Spitzengeräte die PoE-Technologie nutzen.

Im Prinzip besteht eine IoT-Plattform aus vier Bausteinen:

• Abtastung/Überwachung
• Verarbeitung (MCU)
• Konnektivität (drahtlos oder drahtgebunden)
• Energiemanagement

Die neuen Funktionen/Verbesserungen des Standards IEEE 802.3bt sind für den oben erwähnten Power-Management-Block des IoT von Vorteil. Vier dieser neuen Funktionen/Verbesserungen umfassen die MPS-Signatur (Short Maintain Power Signature), „Autoclass“, die Einzel-/Zweifach-Signatur der PD und die erhöhte Leistungsversorgung für den PD, die in den folgenden Absätzen weiter erörtert werden.

Short Maintain Power Signature (MPS) - MPS ist die minimale Leistung, die ein PD aufnehmen muss, um nicht von der PSE getrennt zu werden. Der PSE muss die Stromzufuhr unterbrechen, wenn der MPS-Wert mindestens 400 ms lang unterschritten wird, um sicherzustellen, dass abgeklemmte Kabel nicht unter Spannung stehen.

Darüber hinaus haben fast alle PDs in IoT-Anwendungen einen Low-Power- oder Schlafmodus. Solche PDs müssen einen höheren Strom ziehen, um mit Strom versorgt zu bleiben, und missbrauchen damit die Idee, einen Standby-Modus mit geringer Leistung zu haben. Short MPS löst dieses Problem, indem es die Einschaltdauer reduziert und angibt, wie lange eine Stromsignatur erzeugt werden muss, um eine Stromverbindung aufrechtzuerhalten. Diese Modifikation verbessert die minimale Standby-Leistung um den Faktor 10, so dass IoT-Edge-Geräte mit PoE versorgt werden können und eine akzeptable Standby-Leistung haben.

Bei IoT-Anwendungen, bei denen eine große Anzahl der Geräte PoE verwenden, wie z.B. LED-Beleuchtung, ist die Reduzierung der Standby-Leistung entscheidend.

Autoclass - Mit Autoclass kann die Zuweisung des PSE-Stromversorgungsbudgets an die PD besser optimiert werden. Im Wesentlichen „misst“ die PSE die Verluste des Ethernet-Kabels und die Leistungsaufnahme des angeschlossenen PDs über einen definierten Zeitraum und „weiß“ dadurch, wieviel Leistung dieser PD „tatsächlich“ zukommen sollte, statt eine höhere, durch die PD-Klasse definierte „zugewiesene“ Leistung zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann derselbe PSE mehr PDs und damit mehr IoT-Edge-Geräte versorgen.

Einzel-/Zweifach-Signatur des PD - Der IEEE 802.3bt-Standard unterstützt zwei PD-Konstruktionen: PD mit Einzelsignatur und PD mit Doppelsignatur. Die PSE muss sowohl PDs mit einfacher als auch mit doppelter Unterschrift unterstützen.

Geräte mit zwei Signaturen ermöglichen Anwendungen, die bis zum gleichen maximalen Leistungspegel wie Geräte mit einer Signatur benötigen, und bieten die zusätzliche Flexibilität unterschiedlicher und isolierter Lastkonfigurationen. Ein Beispiel hierfür kann eine Außenüberwachungskamera sein, die zusammen mit einer Heizung oder einem Kühlgebläse betrieben werden muss, um extreme Temperaturbedingungen zu kontrollieren. Ein weiteres Beispiel könnten IIoT-Anwendungen mit redundanten Schaltungen sein, die für Zuverlässigkeits- und Sicherheitszwecke eingesetzt und abwechselnd, aber nicht gleichzeitig mit Strom versorgt werden.

Abbildung 1 zeigt Konzepte mit doppelter/single-Signatur.

Abbildung 1: Einzel-/Doppel-Signatur-Konzepte (Bildquelle: Mikrochip)

Weitere technische Informationen über IEEE 802.3bt PDs mit zweifacher Signatur finden Sie auf der Ethernet Alliance (EA) Website.

Erhöhte Leistungsversorgung für den PD - Der Standard IEEE 802.3bt definiert eine maximale Leistung von 90 W, die ein PSE-Gerät senden kann, und 71,3 W, die ein PD-Gerät empfangen kann. Dieser Leistungsabfall von PSE auf PD berücksichtigt den maximalen Verlust von 19 W über die gesamte Kabellänge von maximal 100 Metern, die durch den Ethernet-Standard definiert ist. Mit dem neuen Standard IEEE 802.3bt kann der PD den Kabelwiderstand messen, die Leistung berechnen, die im Kabel verloren geht, und eine Leistung bereitstellen, die hoch genug ist, um die "verschwendeten" 19 W maximale Verlustleistung des 100 Meter langen Kabels zu kompensieren. Beträgt die Entfernung von der PD zur PSE weniger als 100 Meter, können der PD mehr als 71,3 W zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Kabellänge beispielsweise im Bereich von 2 - 5 Metern liegt, kann die Leistung, die die PD von der PSE empfangen kann, in der Nähe der 90 W liegen, die die PSE sendet.

Verbesserungen der Energieeffizienz nach IEEE 802.3bt

Obwohl der Standard 802.3bt nicht explizit definiert ist, aber kurz vor seiner Ratifizierung steht und im Geiste der Energieverwaltungseffizienz und der IoT-Anwendungsanforderungen, haben mehrere führende PoE-IC-Anbieter das Design ihrer Chips verbessert, um die Energieeffizienz zu verbessern.

Abbildung 2: PoE-Block-Topologie (Bildquelle: Mikrochip)

Bevor Abbildung 2 betrachtet wird, sollte die Funktionalität sowohl der PSE als auch der PD definiert werden.

Für die PSE lassen sich die Anforderungen an die Funktionalität kurz wie folgt zusammenfassen:

• Erkennen einer gültigen PD
• Klassifizieren Sie die Leistungskapazitäten der PD
• Bereitstellung von 4 W bis 90 W Leistung bei 44 bis 57 Volt für die PD
• Leistungsoptimierung und -zuweisung durchführen
• Fehlerüberwachung und Abschaltung bei Bedarf durchführen
• Schaltet die Stromzufuhr zum entsprechenden Anschluss ab, wenn ein Unterstromzustand erkannt wird
• Überspannungsschutz bereitstellen
• Bietet Isolierung von Schalter-Schaltkreisen

In ähnlicher Weise lässt sich die Funktionsweise einer PD wie folgt zusammenfassen:

• Polaritätsschutz vorsehen
• Bereitstellung von Signaturen zur Erkennung und korrekten Klassifizierung
• Leistungsoptimierung durchführen
• Für Isolation sorgen
• Vorsehen einer optionalen Vorspannung für den DC/DC-Start
• Wandeln Sie 57 V in die erforderliche geregelte Versorgungsspannung um, die von der Anwendung verwendet wird.

Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, wird der Strom von der PSE über das Ethernet-Kabel an die PD gesendet. Der PDs-Diodenbrückenchip gleicht dann die Kabelspannung gleich. In 2-Paar-PoE-Systemen kann die Spannung entweder über die Datenpaare oder die Ersatzpaare, aber nicht über beide, geliefert werden. In 4-Paar-PoE-Systemen, die nach IEEE 802.3bt definiert sind, werden alle Paare mit Strom versorgt.

Daher sind zwei Brücken innerhalb der PD erforderlich (Abbildung 3).

Abbildung 3: Zwei Brücken innerhalb des PD (Bildquelle: Analog Devices/Linear Tech)

Die konventionelle Diodenbrückenlösung hat mehrere Nachteile:

• Hoher Leistungsverlust durch den Spannungsabfall im Kabel
• Hohe Wärmeableitung
• Erfordert zusätzliche Überlegungen zur thermischen Auslegung

Aufgrund der oben genannten Nachteile ist die Verwendung traditioneller Diodenbrücken in vielen IoT-Anwendungen sehr problematisch, wenn nicht gar unmöglich.

Eine effizientere Lösung als die Diodenbrücke ist die sogenannte IdealBridge^™, die zuerst von Microsemi (jetzt Microchip) eingeführt wurde. Bei dieser Lösung handelt es sich um eine N-Kanal-Brücke auf MOSFET-Basis mit einem Controller.

Die Unterschiede zwischen einer doppelten konventionellen Diodenbrücke und einer einzelnen IdealBridge sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Doppelte konventionelle Diodenbrücke im Vergleich zu einer einzelnen IdealBridge™ (Bildquelle: Mikrochip)

Zu den Vorteilen der IdealBridge gehören

• Die vollständig integrierte Lösung verringert die Stückliste - Spart PCB-Platz und vereinfacht die Implementierung
• Selbststeuernde Schaltkreise für MOSFET
• Niedriger R_DS(ON), niedriger Stromverbrauch
• Maximierung der Energieeffizienz - liefert höhere Ausgangsleistung und Spannung
• Reduziert die Wärmeableitung drastisch, eliminiert thermische Designprobleme und die Notwendigkeit eines Kühlkörpers
• Arbeitet mit 2-Paar- und 4-Paar-PoE-Anwendungen
• Kompatibel mit den IEEE 802.3xx-Normen

Microsemi/Microchip führte die erste "IdealBridge™"-Lösung mit der PD70224 ein. Andere ähnliche Lösungen von anderen Anbietern sind Analog Devices/Linear Tech's LT4321, ON Semiconductor's FDMQ8205A Ideale 1-Kanal-Diode (keine Brücke), und STMicroelectronics' PM8805 integrierte Lösung (IdealBridge integriert in einen PD IC-Chip).

Fazit

Der neueste Standard IEEE 802.3bt fügt der PoE-Technologie neue Funktionen hinzu und verbessert die bestehenden. Diese Funktionen erweitern die Palette der über das PoE-Konzept anschließbaren Randgeräte und unterstützen damit viele neue IoT-Anwendungen.

Zur Unterstützung von Nicht-PoE-Infrastrukturen gibt es verschiedene Zwischenlösungen wie Midspans/Injektoren und Leistungsteiler. Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, dass IEEE 802.3bt ein recht neuer Standard ist und viele Anbieter bereits vor seiner Ratifizierung Ende 2018 Produkte in diesem Bereich angeboten haben. Um die Vorteile der neuen Funktionen von IEEE 802.3bt zu nutzen und die Interoperabilität zwischen den Herstellern aufrechtzuerhalten, müssen die Teile und Produkte für diesen IEEE 802.3bt-Standard qualifiziert sein, was in den Datenblättern ausdrücklich angegeben werden sollte.