Single-Pair Power over Ethernet deschide noi perspective de aplicare

Power over Ethernet (PoE) este disponibil de ani de zile pentru furnizarea energiei prin intermediul cablurilor Ethernet, dar atractivitatea sa a fost restricționată de o limită de distanță de 100 de metri sau mai puțin. Acum, foaia se schimbă cu Single-Pair Power over Ethernet (SPoE), o tehnologie standardizată IEEE care permite transmiterea energiei și a datelor pe distanțe mari folosind o singură pereche torsadată în cadrul unui cablu Ethernet, deschizând o nouă frontieră pentru aplicații inovatoare.

Bine stabilit și utilizat pe scară largă pentru comunicarea datelor între dispozitive, Ethernet utilizează patru perechi de fire de cupru răsucite pentru a transporta semnale de date, fiecare pereche asigurând fluxul de date pe o direcție. De asemenea, dispozitivele care utilizează Ethernet necesită, în general, o sursă de alimentare separată, ceea ce crește costurile de cablare și instalare.

Power over Ethernet (PoE) a fost dezvoltat ca o extensie a standardului Ethernet, permițând dispozitivelor să primească atât date, cât și energie prin același cablu, utilizând două perechi de fire pentru transportul datelor și alte două pentru alimentarea dispozitivelor.

PoE poate furniza până la 90 W de putere pe o distanță maximă de până la 100 m. Acest lucru a dus la apariția aplicațiilor PoE precum camere IP, puncte de acces wireless, telefoane VoIP și sisteme de iluminat inteligente care pot fi instalate și alimentate printr-un singur cablu. Cu toate acestea, pe lângă limita distanței, alte provocări PoE includ nevoia de conectori și cabluri voluminoase și costisitoare care pot suporta curenți și tensiuni ridicate, pierderi de putere și disiparea căldurii.

Prezentarea SPoE

Folosind o singură pereche de fire pentru a transporta atât date, cât și energie, SPoE poate atinge viteze de transfer al datelor de până la 1 Gbps și poate furniza energie de până la 52 W pe lungimi de cablu de până la 1 km (Figura 1), folosind conectori și cabluri mai mici și rentabile, compatibile cu soclurile RJ45 existente.

Figura 1: Un sistem SPoE pentru transmiterea unei puteri de până la 52 W. (Sursă imagine: Analog Devices)

Având costuri reduse și o implementare mai simplă, SPoE este potrivit pentru o gamă largă de aplicații în mediile industriale, auto, de automatizare a clădirilor și IoT, unde instalarea de cabluri noi sau dependența exclusivă de LAN wireless este fie nepractică, fie prohibitivă din punctul de vedere al costurilor, fie ambele. Acesta oferă o telemetrie completă a sistemului pentru monitorizarea stării de transmisie a energiei, detectarea defecțiunilor și protecția la supratensiune.

Într-un mediu industrial, SPoE poate alimenta senzori și dispozitive de control pe distanțe mari, fără a fi necesară adăugarea surselor de alimentare locale, simplificând infrastructura de rețea, reducând costurile de instalare și asigurând gestionarea centrală a alimentării. Poate fi utilizat pentru a furniza energie prin cablajul Ethernet existent, adăugarea comutatoarelor SPoE și a punctelor finale fiind un proces rapid și relativ simplu.

SPoE face parte din standardul IEEE 802.3 – IEEE 802.3 cg pentru 10 Mbps Ethernet pe o singură pereche torsadată (10Base-T1L) – oferind o extensie la standardul IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL). PoDL este utilizat în sisteme de până la 40 m și cu 12, 24 sau 48 de volți; SPoE funcționează cu o tensiune de 24 V sau 55 V până la 1000 m.

SPoE este ideal pentru aplicațiile care necesită o putere mică sau medie și viteze mari de date pe distanțe lungi, ceea ce nu este fezabil sau economic pentru PoE.

Aplicațiile potențiale pentru SPoE includ:

• Sisteme tehnologice operaționale în care comunicațiile și furnizarea de energie sigure sunt esențiale pentru controlul și automatizarea proceselor
• Sisteme de automatizare pentru clădiri și fabrici care pot monitoriza și controla parametrii de mediu și ai utilajelor
• Instrumente de teren, cum ar fi senzori și actuatoare, care pot fi implementate cu o mai mare flexibilitate și costuri reduse
• Sisteme de securitate, cum ar fi pentru controlul accesului și supraveghere, unde SPoE se adaptează mai ușor
• Sisteme de gestionare a traficului care necesită funcționare și conectivitate constante
• Alimentarea și gestionarea dispozitivelor periferice IoT
• Furnizare de energie de la distanță pentru semnalizare digitală și iluminat exterior

Considerente privind proiectarea SPoE

SPoE utilizează tehnica „phantom power” pentru a suprapune semnalul de alimentare peste semnalul de date pe aceeași pereche de fire, necesitând controlere complexe la fiecare capăt al cablului pentru a separa și regla semnalele de alimentare și de date. De asemenea, aplicațiile trebuie să țină cont de pierderile de putere și de disiparea căldurii de-a lungul cablului, care pot afecta performanța și fiabilitatea sistemului.

Un controler al echipamentului de alimentare (PSE) asigură gestionarea și conversia sofisticată a energiei, asigurând o alimentare sigură, stabilă și eficientă. Acesta funcționează în combinație cu controlerele de dispozitive alimentate (PD) care primesc energie prin cablul cu 2 fire.

Controlerele PSE concepute pentru canale multiple pot alimenta diverse dispozitive la distanță, cum ar fi senzorii. De exemplu, LTC4296-1 (Figura 2) de la Analog Devices, Inc. (ADI) este un controler SPoE cu 5 porturi care poate alimenta cu energie până la cinci sarcini prin cinci linii, fiecare având o lungime de până la 1000 m. Acesta furnizează energie utilizând tranzistoare externe cu efect de câmp de tip metal-oxid-semiconductor (MOSFET-uri) cu canal N, cu rezistență scăzută de la drenă la sursă (R_DS(ON)), care minimizează căderea de tensiune și asigură robustețea aplicației.

Figura 2: Controler pentru echipamente de alimentare (PSE) cu 5 porturi LTC4296-1 de la ADI. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 oferă o soluție SPoE versatilă, PSE pentru controlere și comutatoare 10BASE-T1L și poate fi ușor integrat cu componentele portofoliului de emițător-receptor 10BASE-T1L al ADI, cum ar fi dispozitivul cu 2 porturi ADIN2111CCPZ-R7, care integrează un comutator, două nuclee de nivel fizic Ethernet (PHY) cu o interfață MAC și circuite analogice asociate, un circuit de monitorizare a alimentării cu tensiune și circuite de resetare la pornire (POR). Emițătorul-receptorul oferă conectivitate directă cu o varietate de controlere prin intermediul unei interfețe periferice seriale (SPI).

La celălalt capăt, LTC9111RDE#PBF este unul dintre mai multe controlere PD de la ADI care oferă o capacitate de funcționare de la 2,3 V la 60 V cu corecția polarității (Figura 3). Controlerul gestionează clasificarea și monitorizarea transmisiei liniei, acționând două comutatoare MOSFET externe cu canal N în timpul clasificării cu funcționare în microputere pentru a minimiza cerințele condensatorului de rezervor. Un comutator MOSFET extern cu canal N izolează capacitatea de ieșire de la conector în timpul clasificării și al anclanșării.

Figura 3: Un controler SPoE PSE LTC4296-1 este adecvat pentru acționarea a până la cinci canale, aici legate de controlerele PD LTC9111. (Sursă imagine: Analog Devices)

Controlerele din seria LTC9111 prezintă o semnătură de trezire validă la PSE pentru a solicita alimentare. Controlerele PSE și PD conforme cu IEEE 802.3cg efectuează etapa de clasificare utilizând protocolul de clasificare a comunicațiilor seriale; PSE se asigură că alimentarea cu energie este compatibilă și, în caz afirmativ, procedează la creșterea tensiunii portului. Dacă dispozitivul electric utilizat are nevoie de o tensiune diferită de 24 V sau 55 V, se utilizează un convertor c.c. - c.c. suplimentar.

De asemenea, ADI oferă kitul de evaluare EVAL-SPoE-KIT-AZ pentru evaluarea datelor 10BASE-T1L și a puterii SPoE pe un singur cablu Ethernet cu perechi răsucite (SPE). Kitul include controlerul PSE LTC4296-1 și PD LTC9111 pentru evaluarea puterii SPoE IEEE 802.3cg de la clasa 10 până la 15, și un emițător-receptor 10BASE-T1L pentru a furniza date în sistem.

Implementarea aplicațiilor SPoE

Proiectanții de produse trebuie să optimizeze bugetul de putere și eficiența soluțiilor lor SPoE, luând în considerare parametri precum lungimea cablului, diametrul, rezistența, temperatura și mediul.

Echilibrarea alimentării cu energie și a transmiterii de date pe o singură pereche torsadată vine cu provocări, cum ar fi asigurarea unei alimentări suficiente pentru dispozitivele la distanță, menținând în același timp integritatea datelor pe distanțe potențial mari.

Livrarea de energie pe cabluri lungi la tensiunea de alimentare de 24 V c.c, comună în multe implementări OT, este supusă unor pierderi semnificative din cauza rezistenței cablului. SPoE este specificat în standardul IEEE 802.3cg pentru funcționare la o tensiune de 24 V sau 55 V, astfel că proiectanții pot profita de eficiența sporită a furnizării de energie în apropierea tensiunii maxime de siguranță foarte joasă (SELV) de 60 V.

Concluzie

SPoE este o tehnologie emergentă care permite transmiterea simultană de date și energie printr-o singură pereche torsadată în cablurile Ethernet. Acest lucru poate reduce costul, complexitatea și impactul asupra mediului al infrastructurilor de rețea, dar și poate oferi mai multă flexibilitate, scalabilitate și fiabilitate dispozitivelor conectate. Portofoliul ADI de controlere PSE și PD conforme cu IEEE 802.3cg poate simplifica proiectarea și implementarea aplicațiilor SPoE cu eficiență ridicată și zgomot redus, făcându-le ideale pentru sistemele industriale, auto și de clădiri inteligente care necesită conectivitate robustă și fiabilă.