Principes fondamentaux de l'alimentation par Ethernet

L'alimentation par Ethernet (PoE) transporte l'alimentation CC à courte distance (jusqu'à 100 mètres) à travers des câbles Ethernet entre l'équipement d'approvisionnement en énergie (PSE) et les appareils alimentés (PD).

[Note de l'éditeur : la commodité de fournir de l'alimentation et des données via le même câble est convaincante, et tout comme l'USB est devenu une source d'alimentation omniprésente pour de nombreux appareils grand public, l'alimentation par Ethernet (PoE) offre de multiples avantages aux entreprises commerciales et industrielles. applications. L'article précédent de cette série en deux parties décrivait le rôle du PoE dans certaines de ces applications. ]

Selon la National Fire Protection Association (NFPA), la troisième cause d'incendies commerciaux aux États-Unis est l'équipement électrique et d'éclairage. La cause principale typique est un câblage ancien ou défectueux, des circuits surchargés, des connexions desserrées, des fusibles défectueux, des charges électriques déséquilibrées et de nombreux autres problèmes électriques ou d'éclairage. Ceux-ci peuvent entraîner une surchauffe, entraînant des étincelles qui peuvent finalement allumer un incendie.

L'alimentation secteur transporte l'alimentation CA longue et courte distance sur trois fils de cuivre isolés :phase, neutre et terre. Le fil sous tension porte la différence de potentiel alternatif (120 VAC ou 230 VAC). Le fil neutre complète le circuit et est maintenu à ou près du potentiel de terre, ou 0V. Le fil de terre est un fil de sécurité qui met le circuit à la terre en cas de défaut. En bref, avec les fusibles et les disjoncteurs, l'alimentation secteur consacre 33 % de son cuivre total, le fil de terre, à la sécurité.

Figure 1 :Section transversale d'un fil secteur en cuivre massif de 2,5 mm2 (à gauche), à ​​côté d'un câble en cuivre massif 23 AWG CAT6 (à droite) à la même échelle (Source :Ethernet Alliance)

L'alimentation par Ethernet (PoE) transporte l'alimentation CC à courte distance (jusqu'à 100 mètres) via des câbles Ethernet entre l'équipement d'alimentation électrique (PSE) et les appareils alimentés (PD). Selon la norme PoE, jusqu'à huit fils de cuivre sont utilisés pour transporter l'alimentation CC, y compris le chemin de retour. Bref, le PoE ne dédie aucun cuivre à la sécurité. Philosophiquement et architecturalement, la norme PoE déplace le contrôle de sécurité du cuivre (secteur) vers le silicium. Il y a deux avantages ici; le silicium est beaucoup moins cher que le cuivre, et vous pouvez coder le silicium. Vous ne pouvez pas coder le cuivre.

Alimentation 2 paires contre alimentation 4 paires

Ethernet utilise le connecteur RJ45, qui comporte huit contacts. Ceux-ci sont divisés en quatre paires différentielles (diff) (Figure 2). Dans les réseaux 10BASE-T (10 Mbps) et 100BASE-TX (100 Mbps), seules deux des quatre paires de diff disponibles sont utilisées pour transférer des données, ce qui laisse deux paires inutilisées. Dans les réseaux Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), les quatre paires de différences sont utilisées pour le transfert de données.

Tirant parti de l'infrastructure Ethernet 10/100/1000 existante, IEEE 802.3af (maintenant connu sous le nom de PoE), qui fournit 350 mA/paire, 57 V max, et IEEE 802.3at, qui fournit 600 mA/paire, 57 V max (appelé PoE 1) fournir de l'énergie à l'aide de ces paires inutilisées, mettant en œuvre deux modes alternatifs ; Alternative A ou B :

A. L'alternative A (PSE) ou le mode A (PD) transporte l'alimentation sur le diff. paires 2 et 3

B. L'alternative B (PSE) ou le mode B (PD) transporte l'alimentation sur diff. paires 1 et 4

Pendant ce temps, PoE 2, ou IEEE 802.3bt, fonctionne sur une alimentation à 4 paires en utilisant les quatre diff. paires à 960 mA/paire jusqu'à un maximum de 57. Cela atteint 90 watts au PSE.

Figure 2 :alimentation à 2 paires contre alimentation à 4 paires

Classification IEEE 802.3bt (90 W)

L'Ethernet Alliance divise en outre les quatre types en huit classes distinctes, illustrées à la figure 3. Pour l'équipement d'approvisionnement en énergie (PSE), chaque classe PoE 2 (5-8) est une tranche de 15 W tandis que chaque classe PoE 2 est une tranche de 11 W. tranche pour le dispositif alimenté (PD). Un découpage plus fin des classes par rapport aux types optimise l'efficacité d'un PSE multi-ports pour fournir une variété d'alimentation aux PD connectés, en particulier à mesure que le nombre de ports PSE connectés augmente.

Figure 3 : Classification IEEE 802.3bt

Phases de fourniture d'alimentation IEEE 802.3af/at/bt

La fourniture d'alimentation PoE entre le PSE et le PD suit les cinq phases distinctes, illustrées ci-dessous et dans la Figure 4.

• Phase 1 :Détection
• Phase 2 : Classement
• Phase 3 :Démarrage
• Phase 4 :Opération
• Phase 5 :Déconnexion

Le PSE contient une résistance Rsense en série avec le chemin de courant de retour pour mesurer toute chute de courant effectuée par le PD. Il y a aussi une résistance de signature pulldown de 25k sur le PD, qui est utilisée pour informer le PSE d'une détection.

Figure 4 : phases d'approvisionnement en alimentation PoE (Source :Ethernet Alliance)

Phase 1. Détection

Lorsqu'un PSE et un PD sont connectés par un câble Ethernet, le PD présente une résistance de rappel de 25 kΩ (Figure 4 à droite) au PSE. Le PSE effectue ensuite deux mesures de courant dans une fenêtre de 500 millisecondes :

1) forcez V 2,8 V, et mesurez I

2) forcer V 10 V, et mesurer I

En calculant un ∆V / ∆I, si le PSE mesure de 19 KΩ à 26,5 ΩK, le PSE peut accepter la détection comme valide. Sinon, le PSE doit rejeter la détection. L'avantage d'effectuer une mesure différentielle est que tout bruit environnant (agresseur) sera commun à chaque mesure et sera donc rejeté (rejet de mode commun).

Phase 2. Classement

Au cours de la phase de classification, un PD annonce sa signature de classe demandée, ou les exigences de puissance, au PSE. La phase de classification est divisée en cinq événements de classe ou créneaux horaires, comme illustré à la figure 5.

1) Classe Signature 0 :1 mA à 4 mA

2) Signature de classe 1 :9 mA à 12 mA

3) Signature de classe 2 :17 mA à 20 mA

4) Signature de classe 3 : 26 mA à 30 mA

5) Signature de classe 4 :36 mA à 44 mA

Figure 5. Signatures de classe produites par le PD

Ce chiffre capture quelle signature de classe (ligne) est requise lors de chaque événement de classe (colonne), afin d'identifier la classe PD (1 – 8). Par exemple, un PD de classe 7 fournira 40 mA pendant l'événement de classe 1, 40 mA pendant l'événement de classe 2 et 18 mA pendant les événements de classe 3 à 5. Le PSE mesure la chute de courant du PD pendant chaque événement de temps pour apprendre la classe du PD.

Le PSE est chargé de forcer les tensions illustrées à la figure 6 ci-dessous, tandis que le PD est responsable de l'absorption de jusqu'à cinq niveaux de courant différents appelés signatures de classe.

Figure 6 :Signatures de classe et niveaux actuels

Classement automatique

Comme le montre la figure 5, l'événement de classe 1 est plus long que les autres événements de classe. C'est unique à 802.3bt, et pas le cas avec 802.3at ou 802.3af. Si le PD est également conforme à la norme 802.3bt, le PD peut passer à la signature de classe 0 (1 à 4 mA) 81 millisecondes dans l'événement de classe 1, qui informe le PSE 802.3bt que le PD est également 802.3bt et prend en charge l'Autoclass.

Une fois le PD allumé, le PD fournit sa puissance maximale pendant environ 1,2 seconde. Le PSE mesure la puissance PD, ajoute une certaine marge, et cela devient le nouveau niveau de puissance optimisé fourni par le PSE.

Autoclass optimise l'allocation de puissance PSE. Par exemple, si un PD nécessite un maximum de 65W pendant le fonctionnement, ce PD s'identifierait comme une classe 8 pour le PSE, afin de garantir 65W au PD. Sans Autoclass, le PSE allouerait 90 W, pour garantir que le PD obtienne 65 W. Avec Autoclass, le PSE ne peut lire que 66,5 W (longueur de câble courte), + marge de 1,75 W =allocation de 68,25 W. Les économies d'énergie sont de 21,75 W, soit ~ 25 %. Bien que cela puisse sembler négligeable, si le commutateur PSE dispose de huit ports 802.3bt, Autoclass peut optimiser chaque port (avec une variété de longueurs de câble) pour une économie d'efficacité potentielle totale de centaines de watts.

Phase 3 :Démarrage

Pendant la phase de démarrage, le PSE est chargé de limiter le courant d'appel à 450 mA pour les classes 1 à 4 et à 900 mA pour les classes 5 à 8.

Pendant la phase de démarrage, le PD est chargé de limiter le courant de charge à 400 mA pour les classes 1 à 6 et à 800 mA pour les classes 7 à 8.

Phases 4-5 : exploitation, déconnexion et MPS

Le maintien de la signature d'alimentation (MPS) est une fonction de maintien en vie, où le PD absorbe des impulsions de courant périodiques du PSE afin d'informer le PSE que le PD ne s'est pas déconnecté. Si un PSE ne reçoit pas de MPS du PD après 400 millisecondes, alors le PSE doit déconnecter l'alimentation du PD.

Schéma fonctionnel de l'application IEE 802.3bt PD

La figure 7 illustre un schéma d'application 802.3bt type pour un appareil alimenté (PD). De gauche à droite, les transformateurs AC couplent les données Ethernet 10/100/1000 à un processeur à proximité. Le redressement pleine onde est réalisé par GreenBridge™ 2, qui consomme moins d'énergie que le pont de diodes en silicium traditionnel. Le NCP1095 de ON Semiconductor ^® (broche 7), présente la résistance d'abaissement de détection de 25 kΩ, tandis que les broches 2 et 3 déterminent les besoins en alimentation du PD par classe (valeurs de résistance), communiquées au PSE lors des événements de classification après la fixation. Les broches 6, 8, 9 et 10 contrôlent collectivement l'appel et la protection contre les surintensités (OCP) avec un Rsense externe et une porte de passage. La communication à trois bits avec un processeur compagnon est effectuée sur les broches 13, 15 et 16. La broche 14 PGO informe un dispositif DCDC en aval lorsque la puissance de sortie est bonne. La broche 4 permet au NCP1095 de se mettre sous tension à partir d'une alimentation auxiliaire locale, tandis que la broche 6 contrôle Autoclass, une nouvelle fonctionnalité de 802.3bt.

Figure 7 :Diagramme d'application 802.3bt

ON Semiconductor propose également le contrôleur NCP1096, qui intègre à la fois le FET externe et Rsense.

Vous pouvez coder le silicium

Les fusibles, les disjoncteurs et les fils de terre sont des instruments relativement émoussés pour prévenir les incendies électriques, en particulier par rapport aux caractéristiques de l'IEEE 802.3bt. Les fonctionnalités d'approvisionnement en énergie qu'il offre, telles que la classification, la classe automatique, l'appel et le MPS, sont de loin supérieures. Par exemple, avec l'alimentation secteur, les rongeurs cachés dans les murs ou le plafond peuvent facilement provoquer un incendie électrique sans aucun avertissement. En revanche, si le PD ne fournit pas de MPS au PSE toutes les 400 ms, le PSE déconnecte automatiquement l'alimentation du PD.

On peut facilement imaginer coder un PSE pour capturer les déconnexions imprévues, ce qui déclenche un signal d'alerte précoce pour le service informatique, empêchant potentiellement des événements catastrophiques comme des incendies de bâtiment. Pendant ce temps, la classification et l'autoclasse allouent intelligemment la puissance exacte dont une charge aura besoin. C'est un moyen très sûr et efficace de distribuer l'énergie. Comme mentionné précédemment, le silicium est beaucoup moins cher que le cuivre et vous pouvez coder le silicium, mais vous ne pouvez pas coder le cuivre.

>> Cet article a été initialement publié sur notre site frère, Power Nouvelles de l'électronique.

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Carte Bob est directeur du marketing pour les Amériques, Advanced Solutions Group chez ON Semiconductor.

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