Alimentación a través de Ethernet: alimentación de dispositivos Ethernet a través de líneas de datos

En los sistemas de automatización de procesos, es necesario monitorear y medir parámetros importantes como la temperatura, la presión, el flujo, la humedad y más. En la era de la Industria 4.0, Ethernet es un estándar de comunicación común. Dado que Ethernet está cableado y los transmisores y sensores generalmente requieren una fuente de alimentación, surge la pregunta: ¿por qué no usar un cable Ethernet tanto para la transmisión de datos como para la fuente de alimentación?

Este artículo describe cómo los dispositivos Ethernet pueden usar el cable simultáneamente para transmitir datos y proporcionar energía. Los sistemas Power over Ethernet (PoE) se utilizan ampliamente en la industria y desempeñarán un papel importante en el futuro.

estándares PoE

El cable Power over Cat-5 se define en el estándar IEEE 802.3af Power over Ethernet. Anteriormente, los estándares PoE se limitaban a unos pocos vatios, pero las tecnologías PoE más nuevas permiten una potencia aún mayor. Por ejemplo, PoE+ permite hasta 25 W de potencia por puerto y PoE++ (un sistema Power over Ethernet de cuatro pares) pasa de 70 W a 100 W utilizando todos los hilos del cable existente. Junto con este estándar PoE, Analog Devices ha definido el estándar patentado LTPoE++^™que define las especificaciones hasta 90 W de potencia del dispositivo alimentado (PD) (consulte la Tabla 1).

LTPoE++ reduce la complejidad técnica del sistema PoE en comparación con soluciones comparables. Otras características de LTPoE++ son la capacidad plug and play, fácil implementación y fuente de alimentación segura y robusta. Además, LTPoE++ es interoperable y retrocompatible con las especificaciones estándar IEEE PoE. Sin embargo, la potencia utilizable real es ligeramente inferior a la potencia PD especificada debido a las pérdidas del sistema y de los cables, como también ocurre con PoE+ y PoE++.

Componentes PoE

Básicamente, se necesitan dos componentes para alimentar dispositivos a través del cable Ethernet: el dispositivo alimentado y el equipo de fuente de alimentación (PSE).

El PSE tiene la tarea de proporcionar la energía como suministro, mientras que el PD recibe la energía y la usa (carga). Los dispositivos PSE tienen un proceso de firma de energía para proteger los dispositivos incompatibles de daños mientras están conectados. Esto implica primero verificar la resistencia de la firma del PD. El DP sólo se alimentará si este valor es correcto (25 kΩ). Si el PSE detecta DP, inicia la clasificación; es decir, para determinar los requisitos de energía del dispositivo conectado. Para ello, el PSE aplica una tensión definida y mide la corriente resultante. El PD se asigna a una clase de potencia en función del nivel actual. Se proporcionará voltaje y corriente completos si todo es correcto. Tan pronto como se enciende el PD, se encarga de convertir el voltaje PoE de -48 V en un voltaje de suministro adecuado para los dispositivos finales. En los diseños típicos de DP, se utiliza un convertidor CC-CC adicional (regulador de puente de diodo). Su misión es ajustar o cubrir los requerimientos de potencia de los componentes alimentados por el DP. Los nuevos circuitos integrados ya ofrecen la posibilidad de integrar la interfaz y el convertidor CC-CC en un componente para clases de baja potencia, lo que simplifica el diseño.

Dado que los PD deben aceptar voltaje de funcionamiento de CC de cualquier polaridad en sus entradas Ethernet de acuerdo con las especificaciones IEEE 802.3 PoE, se requieren dos puentes de diodos frente a las entradas de PD. Por lo tanto, el PD también opera en polaridad inversa, independientemente del par de cables utilizados.

Implementación de DP Simplificado

El LT4276 ADI cuenta con un controlador compatible con LTPoE++-, PoE+- y PoE con un controlador de conmutación discreto integrado. Puede funcionar para topologías directas e indirectas, y sincrónicamente para clases de potencia de 2 W a 90 W. A diferencia de los controladores PD tradicionales de clases de potencia más bajas, que también tienen MOSFET de potencia incorporados, el LT4276 brinda la capacidad de controlar un MOSFET externo. . Debido a esto, el PD reduce sus pérdidas y aumenta su eficiencia.

Dado que la especificación Ethernet IEEE 802.3 requiere que la conexión a tierra esté aislada eléctricamente de la carcasa del dispositivo, el conjunto de chips del controlador discreto LTC4290/LTC4271 es adecuado como PSE. El LTC4271 representa la interfaz digital para el host PSE en el lado no aislado, mientras que el LTC4290 proporciona la interfaz Ethernet en el lado aislado. Ambos componentes están conectados con un simple transmisor Ethernet. Con este sólido diseño de chipset PSE, se pueden evitar componentes adicionales para generar la fuente de alimentación remota.

Se puede lograr un aumento en la potencia y la eficiencia de todo el sistema PoE reemplazando los dos diodos del rectificador de puente completo en el lado de PD con un diodo ideal. Por lo tanto, los MOSFET se usan y controlan para que actúen como diodos típicos. Gracias a esto, el voltaje directo se puede reducir significativamente debido a la baja resistencia del canal (R_DS(AR)). Con el controlador de puente de diodos ideal LT4321 en combinación con el controlador PD LT4295, se pueden controlar cuatro MOSFET en una configuración de pico completo (consulte la Figura 3).

Con PoE, los dispositivos Ethernet pueden recibir alimentación al mismo tiempo que los datos reales se transmiten a través de un cable RJ45. Analog Devices ha desarrollado su propio estándar patentado, LTPoE++, que admite potencias de hasta 90 W al mismo tiempo que los estándares PoE convencionales. LTPoE++ ofrece una solución PoE sólida, de extremo a extremo y de alta potencia que simplifica el aprovisionamiento y el diseño de energía.

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