gesponsertPower-over-Ethernet Gigabit-Ethernet mit eingebauter Stromversorgung
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Bei Power-over-Ethernet werden gleichzeitig über ein und dieselbe Leitung sowohl die Datenübertragung als auch die Stromversorgung realisiert. In Teil 1 dieses Artikels geht es um die Grundlagen von PoE, während Teil 2 die Implementierung eines Referenzdesigns erläutert.
Normalerweise sind per Ethernet vernetzte Geräte auf eine separate Stromversorgung angewiesen. Kommen diese Endgeräte aber mit einer niedrigen Leistungsaufnahme aus, dann ist „Power-over-Ethernet“ (PoE) eine Alternative und es lassen sich Datenübertragung und Stromversorgung über ein Netzwerkkabel realisieren. Wie sich ein zuverlässiges PoE-Design realisieren lässt, zeigt das Referenz-Design eines GB-Ethernet-USB-Adapters mit integrierter PoE-Funktion.
Der „GB PoE+-Ethernet-USB-Adapter“ ist auf Basis des vorhergehenden Referenzdesigns „GB-Ethernet-USB-Adapter“ entwickelt worden, der ohne Power-over-Ethernet (PoE) arbeitet. Der Adapter ohne PoE ist in der Applikationsschrift RD016 [1] beschrieben, die Prüfungen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit in der Applikationsschrift ANP116 [2].
Bildergalerie
Der Adapter „GB PoE+-Ethernet-USB“ umfasst drei Schnittstellen: USB-Type-C (USB 3.1), RJ45/Ethernet-1-Gigabit mit integrierter Power-over-Ethernet (PoE+)-Versorgung und eine Klemme zum DC/DC-Wandler. Die Klemme ist mit einer einstellbaren Ausgangsspannung von 6 bis 18 V und einer maximalen Ausgangsleistung von 25 W spezifiziert.
Das Board wurde entwickelt, um Anwender mit der PoE-Technologie vertraut zu machen. Wie schon beim Design ohne PoE können auch bei diesem Design die Bitfehlerrate und die Übertragungsgeschwindigkeit mithilfe einer Windows-Applikation überprüft werden. Des Weiteren werden auch hier dem Anwender ein optimiertes Schaltungs-Design und ein optimales Layout, sowohl für die USB 3.1-Schnittstelle als auch für die GB-PoE-Ethernet-Schnittstelle zur Verfügung gestellt.
Power-over-Ethernet (PoE)
Gigabit-Ethernet ist ein weit verbreiteter Vernetzungsstandard, der in der Regel nur Datensignale überträgt. Eine elegante Lösung besteht darin, gleichzeitig über ein und dieselbe Leitung auch die Stromversorgung zu realisieren, wie es bei „Power-over-Ethernet“ der Fall ist. Das bringt verschiedene Vorteile wie einen geringeren Platzbedarf, sinkende Installationskosten und eine einfachere Energieversorgung. Mit PoE lassen sich kleinere Netzwerkgeräte, wie z.B. IP-Telefone, Accesspoints, Netzwerkameras etc. ohne eine externe Stromquelle betreiben. Die Idee der Stromversorgung über die Netzwerkleitung ist schon älter, nur gab es bislang keinen gültigen Standard, so dass verschiedene Hersteller eigene Lösungen entwickelten. Neue Normen überwinden das jetzt.
Grundlagen zur Gigabit-PoE-Schnittstelle
Die Aspekte Signalübertragung, Datenrate, Bandbreite und Fehlerkorrektur bei 1000BASE-T wurden in [1] beschrieben. Hier soll zur Ergänzung das Thema Spannungsversorgung „Power over Ethernet“ ausführlich erläutert werden.
Power-over-Ethernet (PoE) ist grundsätzlich für Systeme mit einer maximalen Versorgungsspannung von 57 VDC und einer Leistung auf der Verbraucherseite von bis zu 71 W spezifiziert. Im Einschaltmoment liegt die Spannung bei > 42 V. Im Normal-Betrieb liegt die Spannung im Bereich von 36 bis 57 V. Es gibt jedoch verschiedene Leistungsklassen, die auch unterschiedlich bezeichnet, bzw. abgekürzt werden:
- IEEE 802.3af (PoE) liefert 15 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 12,95 W am Endgerät.
- IEEE 802.3at (PoE+) liefert 30 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 25,5 W am Endgerät.
- IEEE 802.3bt (4PPoE) liefert 90 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 71,3 W am Endgerät.
- IEEE 802.3bu (PoDL) für Single-Pair-Ethernet.
Tabelle 1 (siehe Bildergalerie) zeigt eine Übersicht der Kenndaten.
PoE-Systeme umfassen grundsätzlich das Power Sourcing Equipment (PSE, Stromversorgungsquelle) und das Powered Device (PD, Verbraucher), wobei die empfohlene maximale Kabellänge bei 100 m liegt. Durch die geringen Leiterquerschnitte, die großen Leitungslängen und die geringe Systemspannung entsteht eine nennenswerte Verlustleistung in der Leitung, was zu schlechten Systemwirkungsgraden führen kann.
Zum Beispiel können bei Klasse 4 25,5 W am PD entnommen werden, die Leitung kann bei einer Länge von 100 m einen Schleifenwiderstand bis zu 12,5 Ω aufweisen und es ist ein maximaler Strom von 600 mA zulässig. Somit entstehen im Kabel Verlustleistungen bis zu 4,5 W, was einem Wirkungsgrad von nur 82 % entspricht.
PoE: Einspeisetechniken für die Versorgungsspannung
Power-over-Ethernet ist in den Normen IEEE 802.3af-2003 (Abschnitt 33 in IEEE 802.3-2005) oder der Aktualisierung von 2009, IEEE 802.3at, spezifiziert. Je nach System werden unterschiedliche Versorgungs-Einspeisetechniken verwendet.
- Phantomspeisung: Die Stromübertragung erfolgt auf den signalführenden Adernpaaren.
- Spare-Pairs-Speisung: Die Stromübertragung erfolgt auf den ungenutzten Adernpaaren.
Beim herkömmlichen 10BASE-T- und 100BASE-TX-Ethernet werden nur zwei der vier Adernpaare für die Datenübertragung verwendet. Die anderen beiden freien Adernpaare lassen sich für PoE (Strom) verwenden. Die Daten werden über den einen Pfad übertragen, der Strom über den anderen, das entspricht der „Spare-Pairs-Speisung“. Als PoE zum ersten Mal eingeführt wurde, war dies der sicherste Weg, Daten und Stromversorgung gleichzeitig über ein Kabel zu übertragen (Tabelle 2, Bildergalerie).
Beim 1000BASE-T (Gigabit-Ethernet) werden alle vier Paare für die Datenübertragung verwendet. Hier erfolgt die Daten- und die Stromübertragung über die gleichen Adernpaare (Tabelle 2, Bildergalerie), das entspricht also der „Phantomspeisung“.
Dieses Verfahren ist hier möglich, weil bei Ethernet über Twisted-Pair-Leitungen eine differentielle Datenübertragung über jedes Paar mit einer Entkopplung per Übertrager geschieht. Die Signalübertragung selbst unterscheidet sich nicht von der Übertragung ohne PoE; Datenraten und Signalamplituden sind die gleichen.
Schnittstellenstruktur von Gigabit PoE
Der „GB PoE+-Ethernet-USB-Adapter“ arbeitet nach dem IEEE 802.3at Standard (PoE+) mit bis zu 25,5 W am PD. Bild 1 zeigt die Prinzipschaltung eines „PoE+“-Systems.
Die Gleichstromversorgungs- und Lastanschlüsse können an den Mittelabgriffen der Übertrager sowohl auf der PSE- als auch auf der PD-Seite vorgenommen werden. Jedes Adernpaar arbeitet durch die Mittelabgriffe im Gleichtakt als eine Seite der Gleichstromversorgung (plus oder minus), so dass zwei Paare erforderlich sind, um den Stromkreis zu schließen.
Die Polarität der Gleichstromversorgung ist unwesentlich, da auf der PD-Seite eine Gleichrichtung vorgesehen ist. Das gespeiste Gerät muss mit einem der beiden Paare betrieben werden: Ersatzpaare 4-5 und 7-8 oder Datenpaare 1-2 und 3-6.
Detektion von Power-up und PoE
Vor der Einspeisung durch das PSE (Power Sourcing Equipment) muss dieses zuerst eine Klassifizierung des Endgeräts vornehmen. Auf diese Weise werden Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten vermieden und die vom PSE zur Verfügung gestellte Leistung wird durch die Klassifizierung des PD (Powered Device) auf die nötige Leistung begrenzt, um auch so Schäden zu begrenzen.
Hierzu ermittelt die Stromquelle des Power Sourcing Equipment (PSE) mit einem Klassifizierungsstrom und einer geringen Spannung, ob das Endgerät überhaupt PoE-fähig ist und danach, welcher Klasse es angehört. Je nach Endgerät ist also ein Informationsaustausch (mit dem sogenannten Handshake-Verfahren) zwischen Stromquelle und Endgerät erforderlich, bei dem das Endgerät seine PD-Klasse mitteilt.
Um im ersten Schritt PoE-taugliche Endgeräte von untauglichen zu unterscheiden, kommt in der PoE-Stromquelle ein Verfahren mit dem Namen „Resistive Power Discovery“ zum Einsatz. Ein PoE-fähiges Endgerät verfügt hierzu über eine Eingangsschaltung mit passiven Bauteilen. Die Stromquelle der PSE prüft mit einer Messschaltung den Innenwiderstand dieser PD-Schaltung.
Liegt der Widerstand zwischen 19 und 26,5 kΩ und hat die Leitung eine Kapazität von ≤150 nF, wird die Energieversorgung aktiviert. In einer zweiten Erkennungsphase wird die Leistungsklasse (Tabelle 1) ermittelt. Hierzu wird das PD mit einer ansteigenden Spannung versorgt, bis es signalisiert, zu welcher der vier in der Norm 802.3af definierten Leistungsklassen es gehört.
Anschließend wird die richtige Leistung zugeführt. Insgesamt dauert diese Erkennung rund eine Sekunde. Um Schäden an Endgeräten zu vermeiden, schaltet sich am PSE die Stromversorgung des entsprechenden Ports automatisch ab, sobald ein PD vom LAN entfernt wird. Der Power-Up-Vorgang ist in Bild 2 (Bildergalerie) graphisch dargestellt, in Tabelle 3 (Bildergalerie) die Power-Up-Schritte mit zugehörigem Vorgang und Spannungsbereich.
Tabelle 4 (Bildergalerie) zeigt die Einteilung der Klassen (Klassifikation nach Tabelle 3) und die notwendigen Bereiche der Schleifenströme zwischen PSE und PD, zum Erkennen bzw. Zuweisen der Klassen. Die Zeilen mit Zwischenwerten (Klassen mit „oder“) werden vom Klassifizierungssystem ignoriert.
PoE-Standards: Neue Entwicklungen
Mit 802.3bt (PoE++) wurden im September 2018 zwei neue PoE-Typen (Type 3 und 4) und vier zusätzliche Klassen eingeführt. Der Standard ist vollständig abwärtskompatibel mit den früheren PoE-Standards, um mit älteren Geräten vom Typ 1 und Typ 2 zu arbeiten. Die Leistungsabgabe wurde auf 90 bis 100 W bei einem Strom von 600 bis 960 mA erhöht.
Hierzu werden alle vier Adernpaare zur Stromversorgung benötigt, um die Verluste auf den Leitungen zu begrenzen. Um die Verluste in den Leitungen zwischen PSE und PD gering zu halten und auch die hohe Datenrate zu erreichen, sind hohe Anforderungen an die Kabel gestellt, eine Übersicht zeigt Tabelle 5 (Bildergalerie).
Der zweite Teil dieses Artikels schildert die Implementierung des Referenzdesigns RD022 [3] und beleuchtet unter anderem die Blockschaltung der PD-Schnittstelle, den Aufbau der primärseitigen Stromversorgung (PSE) und den Entwurf und Aufbau des Adapter-Boards.
Mehr zur Applikationsschrift RD016 erfahren
Literatur
[1] Zenkner, H.: Gigabit-Ethernet Front End, Referenzdesign RD016, Würth Elektronik: www.we-online.de/RD016
[2] Stirn, A.: Gigabit-Ethernet Schnittstelle unter EMV-Gesichtspunkten, AppNote ANP116, Würth Elektronik: www.we-online.de/ANP116
[3] Zenkner, H.: „GB PoE+-Ethernet-USB“-Adapter für industriellen Einsatz unter EMV-Gesichtspunkten, Referenzdesign RD022, Würth Elektronik: www.we-online.de/RD022
[4] Stirn, A.: Gigabit-PoE-Schnittstelle unter EMV-Gesichtspunkten, AppNote ANP122, Würth Elektronik: www.we-online.de/ANP122
(ID:49796043)
