Puesta en marcha de PoE++ de IEEE 802.3bt | Dispositivos analógicos

Introducción

Con cinco años de desarrollo y listo para finalizar a fines de 2018, el próximo estándar Power over Ethernet (PoE) de IEEE, también conocido como PoE ++, tiene desarrolladores de equipos de suministro de energía (PSE) y dispositivos alimentados (PD) luchando por el último hardware, y con razón ya que PoE++ ofrece hasta 71,3 W al PD, casi triplicando los 25,5 W del estándar anterior. PoE++ permite enviar 1,7 A a 52 V a través del mismo cableado con Gigabit Ethernet, sentando las bases para la próxima generación de aplicaciones que consumen mucha energía: Piense en redes de cámaras con movimiento panorámico, inclinación y zoom al aire libre o estaciones base de largo alcance y puntos de acceso para comunicación celular o Wi-Fi.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques PoE básico, con un solo PD conectado a un PSE. Ahora que el estándar 802.3bt ha finalizado, los desarrolladores de PoE querrán ser los primeros en comercializar sus diseños PoE++. El desafío consiste en encontrar soluciones de PSE y PD calificadas y completamente lanzadas que cumplan al 100 % con el estándar 802.3bt. No busque más …

Como pioneros de PoE y miembros activos del grupo de trabajo IEEE 802.3bt, Analog Devices ha lanzado controladores PoE++ PD y PSE que permiten a los desarrolladores de PoE diseñar la versión final del estándar 802.3bt. El lanzamiento del conjunto de chips del controlador PoE++ PSE LTC4291-1/LTC4292 de Analog Devices y los controladores PoE++ PD permite a los desarrolladores ofrecer un sistema PoE++ completo de extremo a extremo probado en el campo. Echaremos un vistazo más de cerca a lo que hace que el conjunto de chips LTC4291-1/LTC4292 sea especial y describiremos cómo aumenta el último estándar PoE de IEEE, además de revisar rápidamente las características clave de los productos PD PoE++.

El conjunto de chips LTC4291-1/LTC4292 PSE

El LTC4291-1/LTC4292 es un conjunto de chips de controlador PSE de 4 puertos aislado diseñado específicamente para sistemas PoE++. La Figura 2 es un esquema simplificado del LTC4291-1/LTC4292 que muestra cómo se alimenta uno de los cuatro puertos Ethernet. La característica más novedosa del conjunto de chips es su aislamiento integrado, de ahí la arquitectura del conjunto de chips, donde el LTC4291-1 proporciona una interfaz digital aislada para el host PSE, mientras que el LTC4292 proporciona una interfaz Ethernet de alto voltaje. Las especificaciones de Ethernet IEEE 802.3 requieren que los segmentos de red, incluidos los circuitos PoE, estén eléctricamente aislados de la tierra del chasis y el PHY. Al colocar el LTC4291-1 en el lado no aislado y el LTC4292 en el lado aislado, se reemplazan hasta seis costosos optoacopladores y un suministro aislado con un transformador Ethernet 10/100 más económico y confiable. Esta topología da como resultado no solo un ahorro de costos, sino también un diseño de PSE más robusto y fabricable.

Los usuarios pueden comunicarse con el LTC4291-1/LTC4292 a través de I²C y puede seleccionar uno de los cuatro modos de funcionamiento de PSE (automático, semiautomático, manual o apagado), según la aplicación. El LTC4291-1/LTC4292 utiliza dos canales (dos controladores de compuerta) para controlar la ruta de alimentación a través de MOSFET externos de hasta 40 mΩ R_{DS (encendido)}. El uso de MOSFET externos permite a los usuarios seleccionar R bajo_{DS (encendido)} componentes, reducir la disipación de energía y desacoplar las fallas del canal. El uso de resistencias de detección de 0,15 Ω también reduce la disipación de energía. el yo²La interfaz C permite la configuración del puerto, el monitoreo del estado del puerto y las lecturas de telemetría de la corriente del puerto, el voltaje de suministro PoE y la alimentación del puerto.

802.3bt presenta dos configuraciones de firma de PD diferentes, PD de firma única y doble. Un PD de firma única (Figura 3) es un PD PoE++ que comparte la misma firma de detección y clasificación entre ambos pares. Un PD de doble firma es un PD PoE++ con una firma independiente en cada par; permitiendo que cada par tenga asignaciones de clasificación y potencia completamente independientes. Los PD de doble firma son soluciones complejas que cuestan el doble que un PD de firma única. Además, vale la pena señalar que los PD de doble firma 802.3bt no son equivalentes a los dispositivos UPoE preestándar, a pesar de compartir una arquitectura común. El LTC4291-1/LTC4292 admite un proceso de detección de PD PoE++ actualizado que incorpora el nuevo subprocedimiento de verificación de conexión para determinar qué configuración de firma de PD está adjunta al PSE.

Una vez que se realiza una verificación de conexión, el LTC4291-1/LTC4292 procede a verificar que el PD conectado cumpla con IEEE. Si bien IEEE requiere que los PSE detecten firmas de PD válidas (25 kΩ) utilizando un esquema de detección de voltaje de 2 puntos o de corriente de 2 puntos, el LTC4291-1/LTC4292 implementa un esquema más sólido al emplear ambos tipos de esquemas de detección. Este esquema de detección multipunto (múltiples voltajes y múltiples corrientes) se utiliza para eliminar los falsos positivos y evitar dañar los dispositivos de red que no fueron diseñados para tolerar voltajes de CC PoE.

PoE++ energiza cuatro pares de conductores (ocho hilos) para suministrar energía en comparación con los tradicionales dos pares de conductores (cuatro hilos) utilizados por los estándares PoE anteriores. No solo se habilitan los nuevos niveles de potencia más altos, sino que el uso de más conductores proporciona una mejor eficiencia para los niveles de potencia más bajos y más antiguos, ya que la pérdida de potencia en el cable se reduce a la mitad. Tomemos, por ejemplo, un PSE PoE+ necesario para suministrar 30 W para garantizar que un PD PoE+ reciba 25,5 W, donde se pierden 4,5 W en 100 m de cable CAT5E. Alimentar el mismo PD de 25,5 W con el estándar PoE++ normalmente reduciría la pérdida a menos de 2,25 W, lo que aumentaría la eficiencia general de suministro de energía del 85 % al 92,5 %. Si considera la cantidad de PD PoE en el mundo, esto se traduce en una gran reducción de energía y, en muchos casos, hasta un 7,5 % menos de huella de carbono.

PoE++ no aislado cuatro nuevas clases de PD de alta potencia, lo que eleva el número total de clases de firma única a nueve, como se muestra en la Tabla 1. Las clases 5 a 8 son nuevas en PoE++ y se traducen en niveles de potencia de PD que van desde 40 W a 71,3 W. Los PSE todavía tienen su elección de usar la capa física (es decir, la clasificación de 5 eventos para 71,3 W) o la capa de enlace de datos (por ejemplo, el protocolo de descubrimiento de la capa de enlace (LLDP)) para clasificar los PD, y los PD aún deben poder admitir ambas clasificaciones esquemas para cumplir. Recuerde que, dado que cada conjunto de pares funciona de forma independiente en un PD de doble firma, cada conjunto de pares puede ser de una clase diferente. Por ejemplo, una Clase 1 (3,84 W) en el primer conjunto de pares y una Clase 2 (6,49 W) en el segundo conjunto de pares generaría un PD de doble firma Clase 1, Clase 2 (10,3 W).

Los PD PoE++ también pueden implementar una extensión opcional de clasificación de capa física, conocida como Autoclase, donde un PSE PoE++, como el LTC4291-1/LTC4292, mide el consumo de energía máximo real de un PD conectado. Al hacerlo, esta práctica función de administración de energía permite, por ejemplo, que el LTC4291-1/LTC4292 asigne energía sobrante a otras bombillas si mide una bombilla en particular, debido a configuraciones de brillo más bajas o un cable más corto, consumiendo menos que su clase. energía.

No hace falta decir que PoE++ es retrocompatible con los estándares PoE+ de 25,5 W y PoE de 13 W más antiguos. Un PoE+ o PoE PD de menor potencia se puede conectar a un PSE PoE++ de mayor potencia, como el LTC4291-1/LTC4292, sin ningún problema. Y, cuando se cambian las tornas y se conecta un PD PoE++ de mayor potencia a un PoE+ o PSE PoE de menor potencia, el PD puede operar en el estado negociado de menor potencia; esto se conoce como degradación. Si un PD ignora la degradación y funciona en su estado de energía más alto, el PD que consume mucha energía hará que el PSE se encienda repetidamente, golpee su sobrecorriente y luego se apague; en efecto, lancha motora del PSE. Por esta razón, tanto PoE+ como PoE++ requieren la degradación, pero lamentablemente se pasa por alto en algunas implementaciones.

Implementaciones de DP

Los desarrolladores utilizan circuitos integrados de Analog Devices para maximizar el rendimiento de PoE++ PD. La Figura 4 muestra un diagrama de bloques simplificado de una interfaz PD PoE++ de firma única y alta eficiencia con una entrada auxiliar. Esta solución proporciona una eficiencia de extremo a extremo (entrada de RJ-45 a carga de PD) superior al 94 % y funciona dentro del rango de temperatura de –40 °C a +125 °C.

El LT4321, que se muestra en la interfaz RJ-45 en la Figura 4, es un controlador de puente de diodo activo que reemplaza los rectificadores de puente de diodo requeridos. El LT4321 utiliza puentes MOSFET de canal N de baja pérdida para aumentar simultáneamente la potencia disponible del PD y reducir la disipación de calor. PoE++ requiere que los PD acepten voltajes de suministro de CC de cualquier polaridad en sus entradas de Ethernet, por lo que el LT4321 rectifica y combina sin problemas la energía de ambos pares de datos en una sola salida de suministro de polaridad correcta. El tamaño y el costo general del circuito se reducen ya que la eficiencia energética mejorada prácticamente elimina los requisitos de disipación de calor, y los ahorros de energía de 10 veces o más permiten que los PD se mantengan dentro de los presupuestos de energía de clasificación o agreguen funcionalidad adicional.

Después del controlador de puente de diodos ideal en la Figura 4, se encuentra el cerebro de la interfaz PD: el LT4295 es un controlador de interfaz PD PoE++ que integra un controlador flyback directo o sin opto de alta eficiencia. El LT4295 es compatible con las nueve clases de PD de IEEE con una resistencia de firma integrada de 25 kΩ, clasificación de hasta 5 eventos y una topología de firma única. Además de proporcionar más potencia de PD, lo que le da al LT4295 una ventaja sobre los controladores de PD tradicionales es el uso de un MOSFET de potencia externo para, una vez más, reducir drásticamente la disipación de calor total de PD y maximizar la eficiencia energética, lo que se vuelve más importante en los niveles de potencia más altos del estándar PoE++. .

Para aquellos diseños de PD PoE++ que necesitan poder soportar un suministro auxiliar, donde el PD se puede alimentar opcionalmente con un adaptador de corriente, el LT4320, que se muestra en la parte superior de la Figura 4, es un controlador de puente de diodo activo de 9 V a 72 V. que reemplaza cada uno de los cuatro diodos en un puente rectificador de onda completa con un MOSFET de canal N de baja pérdida para reducir significativamente la disipación de energía y aumentar el voltaje disponible. El tamaño de la fuente de alimentación y de las verrugas de la pared se puede reducir ya que la eficiencia energética mejorada elimina los disipadores de calor voluminosos y costosos. Las aplicaciones de bajo voltaje también pueden beneficiarse del margen adicional que brinda el ahorro de casi dos caídas completas de diodo (~1,2 V, que es 10 % a 12 V) inherentes a los puentes de diodo de funcionamiento en caliente, lo que aumenta el margen de la aplicación.

Conclusión

La ratificación del estándar PoE++ es inminente, por lo que los desarrolladores pueden salir al mercado con confianza. Los niveles de potencia más altos del estándar PoE++ de hasta 71,3 W son compatibles con una gran cantidad de nuevas funciones de administración de energía que los desarrolladores pueden aprovechar para crear sistemas más dinámicos y optimizados. Los desarrolladores de PSE deberían apreciar la solidez y la simplificación de la lista de materiales del conjunto de chips de cuatro puertos LTC4291-1/LTC4292 PSE recién lanzado por Analog Devices. Mientras tanto, en el otro extremo del cable, los desarrolladores de PD continúan teniendo múltiples circuitos integrados de dispositivos analógicos a su disposición para reducir el calor y aumentar la eficiencia energética.