Fundamentos de Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) transporta distancias cortas (hasta 100 metros) de CC a través de cables Ethernet entre el equipo de suministro de energía (PSE) y los dispositivos alimentados (PD).

[Nota del editor:la conveniencia de entregar energía y datos a través del mismo cable es convincente, y así como el USB se ha convertido en una fuente de energía ubicua para muchos dispositivos de consumo, Power over Ethernet (PoE) brinda múltiples beneficios a los sectores comercial e industrial aplicaciones. El artículo anterior de esta serie de dos partes describió el papel de PoE en algunas de esas aplicaciones. ]

Según la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA), la tercera causa principal de incendios comerciales en los Estados Unidos son los equipos eléctricos y de iluminación. La causa raíz típica es cableado viejo o defectuoso, circuitos sobrecargados, conexiones sueltas, fusibles defectuosos, cargas eléctricas desequilibradas y muchos otros problemas eléctricos o de iluminación. Estos pueden provocar un sobrecalentamiento, lo que da como resultado chispas que, en última instancia, pueden provocar un incendio.

La red eléctrica transporta energía CA de largo y corto recorrido a través de tres cables de cobre aislados:vivo, neutro y tierra. El cable vivo lleva la diferencia de potencial alterna (120 VCA o 230 VCA). El cable neutro completa el circuito y se mantiene en o cerca del potencial de tierra, o 0V. El cable de tierra es un cable de seguridad que conecta a tierra el circuito en caso de falla. En resumen, junto con los fusibles y los disyuntores, la red eléctrica dedica el 33% de su cobre total, el cable de tierra, a la seguridad.

Figura 1:Sección transversal de un cable de red de cobre sólido de 2,5 mm2 (izquierda), junto al cable de cobre sólido CAT6 de 23 AWG (derecha) a la misma escala (Fuente:Ethernet Alliance)

Power over Ethernet (PoE) transporta energía CC de corto recorrido (hasta 100 metros) a través de cables Ethernet entre el equipo de suministro de energía (PSE) y los dispositivos alimentados (PD). Dependiendo del estándar PoE, se utilizan hasta ocho cables de cobre para transportar energía CC, incluida la ruta de retorno. En resumen, PoE no dedica ningún cobre a la seguridad. Filosófica y arquitectónicamente, el estándar PoE traslada el control de seguridad del cobre (red eléctrica) al silicio. Aquí hay dos beneficios; el silicio es mucho menos costoso que el cobre y se puede codificar el silicio. No se puede codificar el cobre.

Alimentación de 2 pares frente a alimentación de 4 pares

Ethernet utiliza el conector RJ45, que cuenta con ocho contactos. Estos se dividen en cuatro pares diferenciales (diff) (Figura 2). En las redes 10BASE-T (10 Mbps) y 100BASE-TX (100 Mbps), solo dos de los cuatro pares de diferencias disponibles se usan para transferir datos, lo que deja dos pares sin usar. En redes Gigabit Ethernet (1 Gbps), los cuatro pares de diferencias se utilizan para la transferencia de datos.

Aprovechando la infraestructura Ethernet 10/100/1000 existente, IEEE 802.3af (ahora conocido como PoE), que proporciona 350 mA / par, 57 V máx., E IEEE 802.3at, que proporciona 600 mA / par, 57 V máx. (Conocido como PoE 1) entregar energía utilizando estos pares no utilizados, implementando dos modos alternativos; Alternativa A o B:

A. La Alternativa A (PSE) o el Modo A (PD) transporta energía en el diferencial. pares 2 y 3

B. La Alternativa B (PSE) o el Modo B (PD) transporta energía en el diferencial. pares 1 y 4

Mientras tanto, PoE 2, o IEEE 802.3bt, funciona con alimentación de 4 pares mediante el uso de los cuatro diff. se empareja a 960 mA / par hasta un máximo de 57. Esto alcanza 90 Watts en el PSE.

Figura 2:potencia de 2 pares frente a potencia de 4 pares

Clasificación IEEE 802.3bt (90 W)

Ethernet Alliance divide los cuatro tipos en ocho clases distintas, que se muestran en la Figura 3. Para el equipo de suministro de energía (PSE), cada clase PoE 2 (5-8) es un segmento de 15 W, mientras que cada clase PoE 2 es un segmento de 11 W segmento para el dispositivo alimentado (PD). Un corte más fino de clases frente a tipos optimiza la eficiencia de un PSE multipuerto para proporcionar una variedad de energía a los PD conectados, especialmente a medida que aumenta la cantidad de puertos PSE conectados.

Figura 3:Clasificación IEEE 802.3bt

Fases de aprovisionamiento de energía IEEE 802.3af / at / bt

El aprovisionamiento de energía PoE entre el PSE y el PD sigue las cinco fases distintas, ilustradas a continuación y en la Figura 4.

• Fase 1:detección
• Fase 2:Clasificación
• Fase 3:inicio
• Fase 4:Operación
• Fase 5:desconectar

El PSE contiene una resistencia Rsense en serie con la ruta de corriente de retorno para medir cualquier pérdida de corriente realizada por el PD. También hay una resistencia de firma desplegable de 25k en el PD, que se utiliza para notificar al PSE de una detección.

Figura 4:Fases de aprovisionamiento de energía PoE (Fuente:Ethernet Alliance)

Fase 1. Detección

Cuando un PSE y un PD están conectados mediante un cable Ethernet, el PD presenta un resistor de extracción de 25 kΩ (Figura 4 a la derecha) al PSE. Luego, el PSE realiza dos mediciones de corriente dentro de una ventana de 500 milisegundos:

1) fuerza V 2.8 V y mide I

2) fuerza V 10 V y mide I

Calculando un ∆V / ∆I, si el PSE mide de 19 KΩ a 26,5 ΩK, el PSE puede aceptar la detección como válida. De lo contrario, el PSE debe rechazar la detección. El beneficio de realizar una medición diferencial es que cualquier ruido ambiental (agresor) será común a cada medición y, por lo tanto, será rechazado (rechazo en modo común).

Fase 2. Clasificación

Durante la fase de clasificación, un PD anuncia su firma de clase solicitada, o los requisitos de potencia, al PSE. La Fase de Clasificación se divide en cinco eventos de clase o franjas horarias, como se muestra en la Figura 5.

1) Firma de clase 0:1 mA a 4 mA

2) Firma de clase 1:9 mA a 12 mA

3) Firma de clase 2:17 mA a 20 mA

4) Firma de clase 3:26 mA a 30 mA

5) Firma de clase 4:36 mA a 44 mA

Figura 5. Firmas de clase producidas por el DP

Esta figura captura qué firma de clase (fila) se requiere durante cada evento de clase (columna), para identificar la clase de PD (1 - 8). Por ejemplo, un PD de clase 7 proporcionará 40 mA durante el evento de clase 1, 40 mA durante el evento de clase 2 y 18 mA durante los eventos de clase 3 a 5. El PSE mide el descenso de corriente del PD durante cada evento de tiempo para conocer la clase de PD.

El PSE es responsable de forzar los voltajes que se muestran en la Figura 6 a continuación, mientras que el PD es responsable de hundir hasta cinco niveles de corriente diferentes llamados firmas de clase.

Figura 6:Firmas de clase y niveles actuales

Clase automática

Como se muestra en la Figura 5, el evento de clase 1 es más largo que los otros eventos de clase. Esto es exclusivo de 802.3bt, y no es el caso de 802.3at o 802.3af. Si el PD también es compatible con 802.3bt, el PD puede cambiar a la firma de clase 0 (1 a 4 mA) 81 milisegundos en el Evento de clase 1, que informa al PSE 802.3bt que el PD también es 802.3bt y es compatible con Autoclass.

Después de que el PD se enciende, el PD proporciona su potencia máxima durante ~ 1,2 segundos. El PSE mide la potencia de PD, agrega algo de margen y este se convierte en el nuevo nivel de potencia optimizado proporcionado por el PSE.

Autoclass optimiza la asignación de energía del PSE. Por ejemplo, si un PD requiere un máximo de 65W durante la operación, ese PD se identificaría como clase 8 para el PSE, a fin de garantizar 65W en el PD. Sin Autoclass, el PSE asignaría 90W para garantizar que el PD obtenga 65W. Con Autoclass, el PSE puede leer solo 66,5 W (longitud de cable corta), margen de + 1,75 W =asignación de 68,25 W. El ahorro de energía es de 21,75 W o ~ 25%. Aunque esto puede no parecer significativo, si el conmutador PSE tiene ocho puertos 802.3bt, Autoclass puede optimizar cada puerto (con una variedad de longitudes de cable) para un ahorro de eficiencia potencial total de cientos de Watts.

Fase 3:Inicio

Durante la fase de inicio, el PSE es responsable de limitar la corriente de irrupción a 450 mA para las clases 1 a 4 y a 900 mA para las clases 5 a 8.

Durante la fase de arranque, el PD es responsable de limitar la corriente de carga a 400 mA para las clases 1 - 6 y 800 mA para las clases 7 - 8.

Fases 4-5:Operación, Desconexión y MPS

Maintain Power Signature (MPS) es una función de mantener vivo, donde el PD absorbe pulsos de corriente periódicos del PSE para informar al PSE que el PD no se ha desconectado. Si un PSE no recibe un MPS del PD después de 400 milisegundos, entonces el PSE debe desconectar la alimentación del PD.

Diagrama de bloques de la aplicación PD IEE 802.3bt

La Figura 7 muestra un diagrama de aplicación típico de 802.3bt para un dispositivo alimentado (PD). Moviéndose de izquierda a derecha, los transformadores de CA acoplan los datos de Ethernet 10/100/1000 a un procesador cercano. GreenBridge ™ 2 logra la rectificación de onda completa, que consume menos energía que el puente de diodo de silicio tradicional. El NCP1095 de ON Semiconductor ^® (pin 7), presenta la resistencia de detección de 25 kΩ, mientras que los pines 2 y 3 determinan los requisitos de potencia del PD por clase (valores de resistencia), comunicados al PSE durante los eventos de clasificación después de la conexión. Los pines 6, 8, 9 y 10 controlan colectivamente la protección contra sobrecorriente y sobrecorriente (OCP) con un Rsense externo y una puerta de paso. La comunicación de tres bits con un procesador complementario se logra en los pines 13, 15 y 16. El pin 14 PGO informa a un dispositivo DCDC descendente cuando la salida de potencia es buena. El pin 4 permite que el NCP1095 se encienda desde una fuente auxiliar local, mientras que el pin 6 controla Autoclass, una nueva característica de 802.3bt.

Figura 7:Diagrama de la aplicación 802.3bt

ON Semiconductor también ofrece el controlador NCP1096, que integra tanto el FET externo como el Rsense.

Puedes codificar silicio

Los fusibles, los disyuntores y los cables de tierra son instrumentos relativamente contundentes para prevenir incendios eléctricos, especialmente si se los compara con las características de IEEE 802.3bt. Las funciones de aprovisionamiento de energía que ofrece, como Clasificación, Clase automática, Inrush y MPS, son muy superiores. Por ejemplo, con la red eléctrica, los roedores ocultos en las paredes o el techo pueden provocar fácilmente un incendio eléctrico sin previo aviso. Por el contrario, si el PD no proporciona un MPS al PSE cada 400 mseg, el PSE desconecta automáticamente la energía al PD.

Uno puede imaginar fácilmente codificar un PSE para capturar desconexiones no planificadas, lo que activa una señal de alerta temprana para el departamento de TI, lo que puede prevenir eventos catastróficos como incendios en edificios. Mientras tanto, Classification y Autoclass asignan de manera inteligente la potencia exacta que requerirá una carga. Esta es una forma muy segura y eficiente de distribuir energía. Como se mencionó anteriormente, el silicio es mucho más barato que el cobre y se puede codificar el silicio, pero no el cobre.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, Power Noticias de electrónica.

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Tarjeta Bob es Gerente de Marketing para las Américas, Grupo de Soluciones Avanzadas en ON Semiconductor.

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