La interfaz PD para PoE+ incluye funciones de clasificación y protección de 25,5 W en una DFN de bajo perfil de 4 mm × 3 mm

La tercera generación de la norma Power over Ethernet aumenta la potencia disponible para las PD a 25,5 W, frente a los 12,95 W de la norma anterior (ver cuadro). En la nueva norma, una DP de tipo 2 (alta potencia) debe comunicarse con un equipo de alimentación de tipo 2 (PSE) mediante un apretón de manos para determinar si el PSE es capaz de proporcionar alta potencia. Los PSE de tipo 2 son compatibles con la antigua norma.

El LTC4265 es una interfaz PoE PD que puede identificar el protocolo de clasificación de 2 eventos (véase el recuadro) y presentar una señal activa como se requiere para el funcionamiento en una PD compatible con IEEE 802.3at. Además, el LTC4265 puede configurarse para diversas opciones de alimentación auxiliar mediante las funciones de apagado y corrupción de firma.

El LTC4265 está muy integrado y es fácil de implementar, ya que sólo requiere una resistencia de programación de clasificación. No se necesitan componentes externos adicionales para programar el LTC4265, ya que todas las funciones (resistencia de firma, UVLO, OVLO, corriente de irrupción y protección térmica) están integradas y programadas en el LTC4265 para garantizar una transición de encendido sin problemas y un funcionamiento PD con cualquier equipo de alimentación (PSE). Esto elimina los costes adicionales de los componentes y los cálculos que llevan mucho tiempo y que son necesarios en otros productos de interfaz de potencia para establecer los umbrales, la resistencia de la firma y los límites de corriente. El LTC4265 está empaquetado en un paquete DFN de bajo perfil y térmicamente mejorado de 4 mm × 3 mm.

La norma Power over Ethernet (PoE) especifica cómo se puede distribuir la corriente continua junto con los datos de alta velocidad a través de un único conector RJ45. La norma de segunda generación (IEEE 802.3af) permite que los dispositivos alimentados (PD) consuman 12,95 W de los equipos de alimentación (PSE). La popularidad de la norma hace que los proveedores de DP se topen con el límite de potencia de 12,95 W. Para satisfacer la demanda de más potencia, la nueva norma IEEE 802.3at (también llamada PoE+) establece una alta potencia permitida manteniendo la compatibilidad con los sistemas IEEE 802.3af existentes.

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En la nueva norma, los PSE y PD se distinguen como Tipo 1 si cumplen los niveles de potencia IEEE 802.3af, o Tipo 2 si cumplen los niveles de potencia IEEE 802.3at. La potencia máxima disponible para una DP de tipo 2 es de 25,5 W.

La norma IEEE 802.3at también establece un nuevo método para que los dispositivos de tipo 2 se identifiquen entre sí, manteniendo la compatibilidad con los sistemas PoE existentes. Un PSE de Tipo 2 tiene la capacidad de declarar la presencia de alta potencia realizando una clasificación de 2 eventos (Capa 1) o comunicándose con el PD en la línea de datos (Capa 2). A su vez, una DP de tipo 2 debe reconocer ambas capas de comunicación e identificar un PSE de tipo 2 antes de iniciar las operaciones de 25,5W.

El IEEE 802.3at establece dos formas de comunicar la presencia de un PSE de tipo 2. El enfoque de la capa 1 requiere que un PSE realice una clasificación de 2 eventos, en la que el sondeo de clasificación se realiza dos veces. El enfoque de capa 2 requiere que el ESP se comunique a través de la línea de datos de alta velocidad. Se necesita una DP de tipo 2 para reconocer un PSE de tipo 2 que utilice cualquiera de las dos capas de comunicación. La comunicación de capa 1 mediante la clasificación de 2 eventos se incluye en la norma IEEE 802.3at en beneficio de los PSE/inyectores de potencia que no tienen acceso a la línea de datos de alta velocidad.

Como las comunicaciones de la Capa 2 se producen directamente entre el PSE y la carga del LTC4265, éste sólo se ocupa de reconocer la clasificación del Evento 2. La figura 1 muestra un ejemplo de clasificación de 2 eventos. El primer evento de clasificación se produce cuando el EPS tiene una tensión de entrada entre 14,5V y 20,5V y el LTC4265 tiene una corriente de carga de clase 4. A continuación, un PSE de tipo 2 hace caer la tensión de entrada en el rango de tensión de marcador de 6,9V a 10V, señalando el primer evento de marcador. La DP en el rango de tensión de la marca tiene una corriente de carga entre 0,25mA y 4mA. Un PSE de tipo 2 repite esta secuencia, señalando la 2ª clasificación y el 2º evento marcador.

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Figura 1: Ejemplo de una forma de onda de clasificación de 2 eventos.

A continuación, el PSE de tipo 2 aplica energía a la DP y el LTC4265 carga el condensador de reserva C1 con una corriente de arranque controlada. Cuando C1 está totalmente cargado, y el LTC4265 declara que la alimentación es buena, el T2PSE la salida tiene una señal activa baja, o una salida de baja impedancia respecto a VENque avisa a la carga de la DP de que hay un PSE de tipo 2 y que pueden funcionar aplicaciones de 25,5 W.

En esencia, un PSE de tipo 2 reconoce una DP de tipo 2 cuando el PSE clasifica la DP y ve una corriente de carga de clase 4. Una EP de tipo 2 reconoce un PSE de tipo 2 cuando el PSE lo clasifica dos veces.

El LTC4265 tiene tres señales de salida que interactúan con otros bloques de un PD. El bit indicador de PSE de tipo 2 (T2PSE) advierte a la carga de la DP de que puede consumir la totalidad de los 25,5 W disponibles en la nueva especificación IEEE 802.3at. Dos clavijas complementarias de alimentación buena (PWRGD y PWRGD) se suelen utilizar para activar un convertidor CC/CC después de que la DP esté totalmente alimentada.

Cuando un PSE de tipo 2 completa la secuencia de clasificación de 2 eventos, el LTC4265 reconoce esta secuencia y proporciona un bit indicador, declarando la presencia de un PSE de tipo 2. La salida de drenaje abierto permite utilizar esta señal para comunicarse con la carga de DP.

La figura 2 muestra dos opciones de interfaz utilizando el T2PSE y un optoaislador. El sitio T2PSE está activo y se conecta al optoaislador para comunicarse a través de la barrera de aislamiento. La resistencia de pull-up RP se dimensiona según los requisitos de la corriente de funcionamiento del optoaislador, la capacidad de atracción del optoaislador T2PSE y la elección de V+. V+ puede proceder de la vía de alimentación PoE (a la que está ligado el GND del LTC4265), o de la fuente de tensión que alimenta el convertidor CC/CC. La primera solución tiene la ventaja de no consumir energía a menos que T2PSE se declara activo.

Figura 2: Conexión con el PSA de tipo 2 a través del T2PSE pin.

La figura 3 muestra las opciones para interconectar el pin de alimentación del LTC4265 con la carga de DP, normalmente a través de los pines de encendido/apagado de un convertidor CC/CC.

Figura 3: Ejemplos de activación/desactivación de la carga de DP a través de los pines complementarios de Power Good.

El pin PWRGD de nivel alto activo tiene una salida de colector abierto referenciada a VOUTque puede interactuar directamente con el pin de funcionamiento/activación de un convertidor CC/CC. Cuando la DP es alimentada por el PSE, el pin PWRGD es de alta impedancia a VOUT. Una pinza interna de 14V protege al convertidor CC/CC de una tensión excesiva. La patilla PWRGD también está diseñada para pasar a alta impedancia cuando se invoca la patilla SHDN en una aplicación de alimentación auxiliar. Esto evita que el pin PWRGD interfiera en el funcionamiento del convertidor cuando hay una alimentación auxiliar.

La función de bajo activo PWRGD se conecta a un MOSFET interno de drenaje abierto referenciado a VEN y puede interactuar directamente con el pin de parada de un convertidor CC/CC. Cuando el PD es alimentado por el PSE, el PWRGD es de baja impedancia en comparación con VEN.

En muchas aplicaciones, la DP puede funcionar con el puerto PoE y/o con una fuente de alimentación auxiliar, como un adaptador de pared. La alimentación auxiliar puede introducirse en una DP basada en el LTC4265 en la entrada del LTC4265, en la salida del LTC4265 o incluso en la salida del convertidor CC/CC. Algunas aplicaciones de DP también pueden dar prioridad a la alimentación auxiliar o a la alimentación PoE, y/o requerir una transición fluida entre la alimentación PoE y la auxiliar.

La figura 4 muestra el método de alimentación auxiliar más habitual, en el que la alimentación auxiliar se inyecta entre la interfaz de DP y el convertidor CC/CC. En este ejemplo, el puerto auxiliar inyecta 48V en la línea a través del diodo D1. Los componentes que rodean la patilla SHDN se seleccionan para que el LTC4265 desconecte la alimentación de la salida cuando la alimentación auxiliar alcance los 36V.

Figura 4. Fuente de alimentación auxiliar. La alimentación auxiliar tiene prioridad sobre la alimentación PoE (mediante el pin SHDN).

Esta configuración es una configuración auxiliar-dominante. Es decir, la fuente de alimentación auxiliar proporciona energía incluso si ya hay alimentación PoE. Cuando se aplica la energía auxiliar, el canal PoE deja de recibir energía. En este momento, el PSE reconoce que el PD no está consumiendo energía y puede dejar de suministrarla.

Esta configuración también proporciona una transición fluida de PoE a energía auxiliar cuando se aplica la energía auxiliar. Es decir, el convertidor CC/CC sigue funcionando durante la transición de potencia. Pero la transición de la alimentación auxiliar a la alimentación PoE (cuando se retira la auxiliar) no es transparente porque un PSE debe volver a detectar el PD antes de aplicar la alimentación.

El LTC4265 puede emparejarse con cualquier convertidor CC/CC, pero hay dos que son especialmente adecuados para las aplicaciones de alimentación por Ethernet de tipo 2: el controlador flyback LT3825 y el controlador forward LT1952. Los convertidores forward y flyback cumplen el requisito de aislamiento electrónico de las especificaciones IEEE 802.3af e IEEE 802.3at. Además de los requisitos de la topología, los controladores LT3825 y LT1952 se seleccionan en función de su capacidad para tolerar el amplio rango de tensión de la línea PoE, que varía de 36V a 57V

A medida que aumentan los niveles de potencia del PoE, el diodo Schottky que suele colocarse en la salida del devanado secundario se convierte en un drenaje de eficiencia, ya que disipa más potencia con el aumento de la corriente de salida. Además, el diodo de salida requiere un disipador de calor y una superficie de placa considerablemente grandes para mover el calor.

Por estas razones, muchas DP que consumen mucha energía están mejor servidas por topologías DC/DC síncronas, en las que el diodo de salida se sustituye por un interruptor activo sincronizado con el funcionamiento del controlador. Tanto el LT3825 como el LT1952 incluyen controladores síncronos integrados, lo que permite utilizar un interruptor activo.

La figura 5 muestra el LTC4265 emparejado con un LT1952 en una configuración de fuente de alimentación sincrónica autoalimentada. La figura 6 muestra el LTC4265 acoplado a un LT3825. Se trata de una configuración de fuente de alimentación flyback sin retroalimentación del optoaislador. El LT3825 también puede configurarse para una topología de avance.

Figura 5. Fuente de alimentación síncrona autónoma basada en PoE.

Figura 6. Fuente de alimentación aislada de 12 V de alta eficiencia.

Estas no son las únicas soluciones de convertidores CC/CC que funcionan bien con el LTC4265. El LTC4265 puede aplicarse fácilmente en aplicaciones que ya tienen un convertidor CC/CC.

La interfaz PD del LTC4265 ofrece las características necesarias en una interfaz PD para funcionar según la norma IEEE 802.3at con un número mínimo de componentes. Dado que todas las funciones (resistencia de firma, UVLO, OVLO, corriente de irrupción y protección térmica) están incorporadas, se necesita poco en torno a su encapsulado DFN de bajo perfil de 4 mm × 3 mm para crear una interfaz PoE Tipo 2 completa. Sólo tienes que emparejarlo con un convertidor CC/CC preparado para PoE conectando los pines de tipo 2 y del indicador de alimentación, y ya tienes una PD de alta potencia lista para funcionar. Si a esto le añadimos la capacidad de manejar energía auxiliar, el LTC4265 es una herramienta PoE+ muy versátil.

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