Оглавление:
PoE (Power over Ethernet) — это технология, доступная уже много лет, которая позволяет подавать питание на устройства через кабель Ethernet. Но в базовой версии его привлекательность несколько ограничена тем, что поддерживаемая длина кабеля не может превышать 100 метров. Теперь же произошел прорыв в однопарном Ethernet (SPoE), версии, стандартизированной IEEE, которая позволяет передавать энергию и данные на большие расстояния по одной витой паре, открывая новые возможности для управления и коммуникации.
Классическая форма Ethernet, широко используемая для передачи данных между IT-устройствами, использует для передачи данных кабель, содержащий 4 пары медных витых проводов, и каждая пара отвечает за одно направление передачи. А коммуникационному оборудованию, использующему связь Ethernet, обычно требуется также отдельное питание, что увеличивает затраты на прокладку кабелей.
Питание через Ethernet (PoE) было разработано как расширение стандарта Ethernet и позволяет устройствам передавать данные и обеспечивать питание по одному и тому же кабелю. Две пары проводов предназначены для передачи данных, а две другие — для питания. PoE способен передавать до 90 Вт мощности на максимальное расстояние до 100 м.
Это решение привело к появлению таких устройств как IP-камеры, точки беспроводного доступа, VoIP-телефоны и интеллектуальные системы освещения, которые могут обмениваться данными и подавать питание по одному кабелю. Но, помимо ограничения расстояний, этот стандарт со временем оказывался все более проблематичным из-за требования использования крупных и дорогих разъемов и многожильных кабелей, способных работать при больших токах и высоких напряжениях. Еще одной проблемой PoE являются потери мощности и связанное с этим выделение тепла.
Возможности SPoE
Технология SPoE использует для передачи данных и питания всего одну пару проводов и позволяет достигать скорости передачи данных до 1 Гбит/с и доставлять до 52 Вт на устройства на расстоянии до 1 км. Кроме того, используются меньшие по размеру и более дешевые разъемы, совместимые с существующими коннекторами RJ45, а также более тонкие и, следовательно, более дешевые кабели.
Благодаря снижению затрат и более простой реализации, SPoE идеально подходит для широкого спектра устройств, работающих в промышленности, автомобилестроении, автоматизации зданий и средах Интернета вещей, где полагаться исключительно на беспроводные локальные сети непрактично и неэкономично. Это позволяет комплексно построить систему связи с возможностью контроля состояния передачи энергии, обнаружения ошибок и защиты от перенапряжений.
В промышленной среде SPoE может питать датчики и устройства управления на больших расстояниях без необходимости использования локальных источников питания, что упрощает сетевую инфраструктуру, снижает затраты на установку и обеспечивает централизованное управление энергопотреблением. Его можно использовать для питания существующих кабелей Ethernet, что делает добавление дополнительных коммутаторов и конечных точек в сеть с поддержкой SPoE быстрым и относительно простым.
Спецификация SPoE является частью стандарта IEEE 802.3cg для Ethernet 10 Мбит/с по одной витой паре (10Base-T1L), расширения стандарта IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL). PoDL используется в системах на расстоянии до 40 м при напряжении 12, 24 или 48 В. SPoE работает при 24 В или 55 В на расстоянии до 1000 м.
SPoE идеально подходит для устройств, которым требуется средняя мощность и в то же время высокая скорость передачи данных на большие расстояния, что невозможно или неэкономично при использовании PoE.
Потенциальные варианты использования SPoE включают:
- Системы автоматизации, где надежная связь и энергоснабжение имеют решающее значение для управления процессами и машинами,
- системы строительной и промышленной автоматизации, которые используются для мониторинга и управления параметрами и устройствами окружающей среды,
- полевое оборудование, такое как датчики и исполнительные механизмы, которое можно развертывать с большей гибкостью и меньшими затратами,
- системы безопасности, такие как контроль доступа и мониторинг, где SPoE обеспечивает лучшую масштабируемость,
- питание и управление периферийными устройствами в IoT,
- удаленное электропитание систем освещения и рекламных вывесок.
Проектирование SPoE
SPoE использует технику «фантомного питания», то есть наложения энергии мощности на сигнал данных по одной и той же паре проводов, что требует использования специальных контроллеров на каждом конце кабеля для разделения питания и данных. Также необходимо учитывать потери мощности и рассеивание тепла по кабелю, которые могут повлиять на производительность и надежность схемы.
Контроллер оборудования источника питания (PSE) обеспечивает преобразование напряжения и управление питанием для обеспечения безопасной и стабильной передачи энергии. На другой стороне кабеля находится его вторая часть – контроллер PD, отвечающий за получение энергии.
Во многих случаях имеет смысл использовать сложные контроллеры PSE, которые предназначены для поддержки нескольких каналов и могут питать одновременно различные удаленные устройства. К примеру LTC4296-1 от Analog Devices представляет собой 5-портовый контроллер SPoE, который может питать до пяти нагрузок по пяти линиям связи, каждая длиной до 1000 м. Он подает питание с помощью внешних небольших N-канальных МОП-транзисторов.
LTC4296-1 — это функциональное и законченное решение для питания SPoE для коммутаторов 10BASE-T1L, которое можно легко интегрировать с трансиверами ADI 10BASET1L, такими как 2-портовый ADIN2111CCPZ-R7, включая коммутатор, два PHY с интерфейсом MAC и соответствующую аналоговую схему. Имеется схема контроля электропитания и сброса при включении питания (POR). Трансиверы подключаются к контроллерам через последовательный интерфейс SPI.
На другой стороне кабеля можно использовать микросхему LTC9111RDE. Это один из нескольких контроллеров ADI PD, поддерживающих диапазон рабочего напряжения от 2,3 В до 60 В с коррекцией полярности. Контроллер управляет классификацией и мониторингом мощности, управляя двумя внешними переключателями MOSFET-N, и поддерживает активный режим микромощности в оставшееся время, чтобы минимизировать необходимую емкость удержания мощности. Внешний MOSFET-N разделяет выходную емкость во время процесса классификации и во время запуска.
Процесс согласования условий мощности выглядит следующим образом. Первоначально контроллеры LTC9111 активизируют PSE для определения условий электропитания. При последовательной связи по протоколу IEEE 802.3cg происходит обмен данными (классификация) и в случае положительного результата происходит повышение напряжения питания. Если обслуживаемому электроприбору требуется напряжение, отличное от 24 В или 55 В, используется дополнительный преобразователь постоянного тока.
Для разработчиков однопарного Ethernet 10BASE-T1L с SPoE компания предоставляет оценочный комплект EVAL-SPoE-KIT-AZ 10BASE-T1L. В его состав входят контроллеры PSE LTC4296-1 и PD LTC9111, поддерживающие классы IEEE 802.3cg 10–15. Также имеется трансивер 10BASE-T1L для передачи данных.
Реализация SPoE
При оценке условий электропитания проектировщики должны учитывать такие параметры, как длина кабеля, диаметр и сопротивление провода, температура и окружающая среда. Балансировка мощности с передачей данных по одной витой паре вынуждает искать компромиссные решения между максимальной мощностью, доступной для удаленных устройств, при сохранении целостности данных на больших расстояниях.
При типичном напряжении 24 В, доступном в схемах промышленной автоматизации, передача высокой мощности по длинному кабелю требует значительных потерь из-за сопротивления провода. Согласно стандарту IEEE 802.3cg SPoE может работать при напряжении 24 или 55 В, поэтому при высоком энергопотреблении проектировщики могут воспользоваться этим более высоким значением и снизить потери. Стоит отметить, что оно находится в безопасном диапазоне, определенном SELV (безопасное сверхнизкое напряжение) — 60 В.
Таким образом, SPoE это новая технология, которая обеспечивает одновременную передачу данных и питания по одному кабелю Ethernet витой пары, что может снизить стоимость, сложность и воздействие сетевой инфраструктуры на окружающую среду, а также обеспечить большую гибкость, масштабируемость и надежность подключенных устройств.
ADI контроллеры PSE и PD, соответствующие стандарту IEEE 802.3cg, упрощают проектирование и внедрение SPoE благодаря высокой функциональности и превосходной производительности, а низкий уровень электромагнитных помех предрасполагает к использованию этих чипов в промышленных, автомобильных и интеллектуальных системах зданий, требующих надежной связи.
