SPoE ouvre de nouvelles perspectives d'applications

Power over Ethernet (PoE) est disponible depuis des années pour fournir une alimentation via des câbles Ethernet, mais la limitation de distance de 100 mètres ou moins a restreint son intérêt. Aujourd'hui, l'alimentation Single-Pair Power over Ethernet (SPoE) change la donne. Cette technologie normalisée par l'IEEE permet de transmettre de l'énergie et des données sur de longues distances à l'aide d'une seule paire torsadée dans un câble Ethernet, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications innovantes.

Bien établi et largement utilisé pour la communication de données entre dispositifs, Ethernet utilise quatre paires de fils de cuivre torsadés pour transmettre les signaux de données, chaque paire transmettant une direction du flux de données. Les dispositifs utilisant Ethernet requièrent également généralement une alimentation séparée, ce qui augmente les coûts de câblage et d'installation.

Power over Ethernet (PoE) a été développé en tant qu'extension de la norme Ethernet, permettant aux dispositifs de recevoir à la fois les données et l'alimentation sur le même câble en utilisant deux paires de fils pour la transmission de données et deux paires pour l'alimentation électrique.

Le PoE peut fournir jusqu'à 90 W de puissance sur une distance maximum de 100 m. Cela a permis des applications PoE telles que des caméras IP, des points d'accès sans fil, des téléphones VoIP et des systèmes d'éclairage intelligents qui peuvent être déployés et alimentés via un seul câble. Cependant, outre la limite de distance, d'autres défis PoE se posent, notamment le besoin de connecteurs et de câbles encombrants et coûteux capables de supporter des pertes de puissance, une dissipation de chaleur et des tensions et des courants élevés.

Présentation de SPoE

En utilisant une seule paire de fils pour transporter à la fois les données et l'alimentation, SPoE peut atteindre des débits de données de 1 Gbps et fournir jusqu'à 52 W de puissance sur des longueurs de câble de 1 km (Figure 1), en utilisant des câbles et des connecteurs plus petits et plus économiques, compatibles avec les prises RJ45 existantes.

Figure 1 : Système SPoE permettant de transmettre jusqu'à 52 W de puissance. (Source de l'image : Analog Devices)

Avec des coûts réduits et une mise en œuvre plus simple, SPoE convient à une large gamme d'applications dans les environnements industriels, automobiles, immotiques et IoT, où l'installation de nouveaux câbles ou le recours exclusif aux réseaux locaux sans fil est soit peu pratique, soit prohibitif en termes de coûts, soit les deux à la fois. Il fournit une télémétrie système complète pour surveiller le statut de transmission d'énergie, la détection des erreurs et la protection contre les surtensions.

Dans un environnement industriel, SPoE peut alimenter des capteurs et des dispositifs de contrôle sur de longues distances sans avoir à ajouter de sources d'alimentation locales, ce qui simplifie l'infrastructure réseau, réduit les coûts d'installation et permet une gestion de l'alimentation centralisée. Il peut être utilisé pour fournir l'alimentation via le câblage Ethernet existant, ce qui simplifie et accélère l'ajout de commutateurs et de points d'extrémité SPoE.

SPoE fait partie de la norme IEEE 802.3 — IEEE 802.3cg pour 10 Mbps Ethernet sur une seule paire torsadée (10Base-T1L) — fournissant une extension à la norme IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). PoDL est utilisé dans les systèmes jusqu'à 40 m et avec 12 V, 24 V ou 48 V. SPoE fonctionne avec une tension de 24 V ou 55 V jusqu'à 1000 m.

SPoE est idéal pour les applications nécessitant une puissance faible à moyenne et des débits de données élevés sur de longues distances, ce qui n'est ni réalisable ni économique pour le PoE.

Les applications potentielles pour SPoE incluent les suivantes :

• Systèmes technologiques opérationnels dans lesquels des communications et une alimentation électrique fiables sont essentielles pour l'automatisation et le contrôle des processus
• Systèmes d'automatisation des bâtiments et des usines capables de surveiller et de contrôler les paramètres de l'environnement et des machines
• Instruments de terrain, tels que des capteurs et des actionneurs, pouvant être déployés avec une plus grande flexibilité et à moindre coût
• Systèmes de sécurité, comme le contrôle d'accès et la surveillance, pour lesquels SPoE est plus facilement évolutif
• Systèmes de gestion du trafic exigeant un fonctionnement et une connectivité constants
• Alimentation et gestion des périphériques IoT
• Alimentation à distance pour la signalisation numérique et l'éclairage extérieur

Considérations de conception SPoE

SPoE utilise la technique de « l'alimentation fantôme » pour superposer le signal d'alimentation au signal de données sur la même paire de fils, ce qui nécessite des contrôleurs complexes à chaque extrémité du câble pour séparer et réguler les signaux d'alimentation et de données. Les applications doivent également tenir compte des pertes de puissance et de la dissipation thermique le long du câble, susceptibles d'affecter les performances et la fiabilité du système.

Un contrôleur d'équipement émetteur d'alimentation PSE (Power Sourcing Equipment) offre une gestion et une conversion de l'alimentation sophistiquées garantissant que la distribution d'énergie est sûre, stable et efficace. Il fonctionne en combinaison avec des contrôleurs de périphériques alimentés PD (Powered Device) recevant de l'énergie via le câble à 2 fils.

Les contrôleurs PSE conçus pour plusieurs canaux peuvent alimenter divers dispositifs à distance, tels que des capteurs. Le LTC4296-1 (Figure 2) d'Analog Devices, Inc. (ADI), par exemple, est un contrôleur SPoE à 5 ports qui peut alimenter jusqu'à cinq charges en énergie sur cinq lignes, chacune pouvant atteindre 1000 m de long. Il fournit une alimentation à l'aide de MOSFET externes à canal N et faible résistance R_DS(ON), qui minimisent les chutes de tension et garantissent la robustesse des applications.

Figure 2 : Contrôleur PSE LTC4296-1 à 5 ports d'ADI. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le LTC4296-1 fournit une solution PSE, SPoE polyvalente pour les contrôleurs et les commutateurs 10BASE-T1L. Il peut facilement être intégré aux composants du portefeuille d'émetteurs-récepteurs 10BASE-T1L d'ADI, tels que le dispositif à 2 ports ADIN2111CCPZ-R7, qui intègre un commutateur, deux cœurs de couche physique (PHY) Ethernet avec une interface MAC et les circuits analogiques associés, un circuit de surveillance de l'alimentation en tension et un circuit de réinitialisation à la mise sous tension (POR). L'émetteur-récepteur fournit une connectivité directe avec une variété de contrôleurs via une interface périphérique série (SPI).

À l'autre extrémité, le LTC9111RDE#PBF est l'un des nombreux contrôleurs PD d'ADI offrant une plage de fonctionnement de 2,3 V à 60 V avec correction de polarité (Figure 3). Le contrôleur gère la classification et la surveillance de la transmission de ligne, en commandant deux commutateurs MOSFET à canal N externes pendant la classification avec un fonctionnement micropuissance afin de minimiser les besoins en condensateurs de filtrage. Un commutateur MOSFET à canal N externe isole la capacité de sortie du connecteur pendant la classification et l'appel.

Figure 3 : Un contrôleur PSE SPoE LTC4296-1 peut commander jusqu'à cinq canaux, ici en combinaison avec des contrôleurs PD LTC9111. (Source de l'image : Analog Devices)

Les contrôleurs série LTC9111 présentent une signature d'activation valide au PSE pour demander une alimentation. Les contrôleurs PSE et PD conformes à la norme IEEE 802.3cg effectuent l'étape de classification à l'aide du protocole Serial Communication Classification ; le PSE s'assure que le PD est compatible et, si c'est le cas, augmente la tension du port. Si le dispositif électrique alimenté nécessite une tension autre que 24 V ou 55 V, un convertisseur CC/CC supplémentaire est utilisé.

ADI propose également le kit d'évaluation EVAL-SPoE-KIT-AZ pour évaluer les données 10BASE-T1L et l'alimentation SPoE sur un câble Ethernet à une seule paire torsadée (SPE). Le kit comprend le contrôleur PSE LTC4296-1 et le PD LTC9111 pour l'évaluation de l'alimentation SPoE IEEE 802.3cg classes 10 à 15, et un émetteur-récepteur 10BASE-T1L pour fournir les données dans le système.

Mise en œuvre d'applications SPoE

Les concepteurs de produits doivent optimiser le bilan de puissance et le rendement de leurs solutions SPoE, en tenant compte de paramètres tels que la longueur, le diamètre, la résistance, la température et l'environnement du câble.

Équilibrer la distribution d'alimentation et la transmission de données sur une seule paire torsadée présente des défis, notamment garantir une alimentation suffisante pour les dispositifs à distance tout en préservant l'intégrité des données sur des distances potentiellement longues.

La distribution d'alimentation sur de longs câbles à une tension d'alimentation de 24 VCC, courante dans de nombreux déploiements OT, est sujette à des pertes significatives dues à la résistance des câbles. SPoE est spécifié dans la norme IEEE 802.3cg pour fonctionner à une tension de 24 V ou 55 V, ce qui permet aux concepteurs de tirer parti d'une efficacité de distribution d'alimentation accrue proche de la tension de sécurité extra-basse (SELV) maximum de 60 V.

Conclusion

SPoE est une technologie émergente qui permet la transmission simultanée de données et d'alimentation sur une seule paire torsadée dans des câbles Ethernet. Cette technologie peut réduire le coût, la complexité et l'impact environnemental des infrastructures de réseau, tout en offrant plus de flexibilité, d'évolutivité et de fiabilité aux dispositifs connectés. Le portefeuille de contrôleurs PD et PSE conformes à la norme IEEE 802.3cg d'ADI peut simplifier la conception et la mise en œuvre d'applications SPoE avec un haut rendement et un faible bruit, ce qui en fait une solution idéale pour les systèmes industriels, automobiles et immotiques exigeant une connexion robuste et fiable.