802.3at (PoE+)

Усовершенствованный стандарт электропитания через Ethernet — PoE+
В 2003 г. появился стандарт питания через Ethernet (PoE) IEEE 802.3af, который обеспечивал передачу постоянного напряжения одновременно с передачей данных со скоростью 10/100/1000 Мбит/с. Этот стандарт определил номинальную передаваемую мощность 12,95 Вт — более чем приемлемое значение для VoIP-телефонии, видеокамер для систем безопасности и точек беспроводного доступа (WAP). Однако со временем возникла потребность в расширенных возможностях PoE, которым отвечает усовершенствованная спецификация PoE+.
oE-технология нашла широкое применение в промышленности, а потребность в дополнительных функциях и более высокой мощности значительно выросла. Например, благодаря расширенным возможностям этого стандарта видеокамеры обеспечивали бы более качественное изображение, точки беспроводного доступа — передачу более мощного сигнала на большие расстояния, а VoIP-телефоны — поддержку видео и периферии. Для поддержания дополненной функциональности устройств PD (powered devices) требуется использовать оборудование (PSE) большей мощности, чем предусмотрена стандартом PoE. В итоге на базе спецификации IEEE 802.3af был разработан стандарт IEEE 802.3at, известный также как PoE+.
PoE+
Одним из аспектов, требующих тщательной инженерной проработки, стал новый механизм классификации, который позволил бы питающим и запитываемым устройствам взаимно определять друг друга. Благодаря этой возможности PSE-оборудование обеспечивает требуемое питание не только PD-устройств стандарта 802.3.af (т.н. оборудование первого типа), но и PD-устройств 802.3at (оборудование второго типа); PD-устройствам 802.3.af — возможность получать питание от PSE-оборудования 802.3at, а PD-устройствам 802.3.at — установить, имеется ли необходимый для них уровень мощности. Для каждой из этих комбинаций требуется правильно определить совместимое поведение данных устройств для поддержания способности к взаимодействию в рамках стандарта 802.3. Возможность взаимного определения устройств была реализована в PoE+ с помощью тщательно продуманного механизма классификации оборудования, а также нового механизма уровня данных.
В PoE+ появилась классификация по двум событиям, когда питающее устройство дважды повторяет проверку по стандарту 802.3af. При каждом зондировании питаемого устройства формируется одиночный импульс тока (см. рис. 1), соответствующий определенному уровню мощности.
![]() |
Рис. 1. Классификация по двум событиям и протокол канального уровня |
Сначала питающее устройство генерирует импульс напряжения в диапазоне 15,5…20,5 В в двухпроводной линии данных или резервной линии. Запитываемое устройство отвечает PSE импульсом тока до 40 мА одного из четырех классов мощности. Двойной импульс является сигналом запитываемому устройству о том, что подключенное питающее оборудование действительно обеспечивает уровни подводимой мощности в соответствии с 802.3at.
Запитываемое устройство стандарта 802.3at отвечает сигналом тока класса 4, сообщая питающему устройству о том, что нуждается в инжекции полной мощности. Метод классификации уровня 1 в 802.3af предусматривал необязательный для PSE запрос PD-устройства для определения потребности в питании. Однако в спецификации 802.3at PSE-оборудование второго типа обязано выполнять классификацию устройств как минимум по одному событию.
Усовершенствовав метод классификации оборудования, группа разработчиков стандарта PoE+ определила классификацию нового уровня данных (уровень 2) — протокол канального уровня (LLDP) для связи между питающим и запитываемым устройствами. После установления канала связи эти устройства могут использовать LLDP для определения потребности PD в питании, а также для повторного запроса PSE-оборудованием PD-устройства, определения его статуса и потребности в питании.
Этот механизм позволяет питающему оборудованию в динамическом режиме назначать PD-устройствам уровень мощности с шагом в 0,1 Вт, а эти устройства могут запрашивать питание, а затем отказываться от него. Связь на уровне 2 обладает дополнительными функциями опроса такой информации как пиковая мощность, средняя мощность и коэффициент заполнения. Важность новой функции назначения уровня мощности трудно переоценить с точки зрения растущих требований к экологичности систем. Протокол LLDP является необязательным механизмом классификации для PSE, но его необходимо реализовать на PD. Если PSE-оборудование выполняет только классификацию по одному событию, то PD может запрашивать питание большей мощности по протоколу LLDP. На рисунке 1 показаны оба применяемых в PoE+ метода классификации.
Известны два типа питающих устройств: промежуточные инжекторы (Midspan) и оконечные устройства питания (Endspan). Промежуточные контроллеры (или инжекторы мощности) вводят электропитание в Ethernet-кабели, располагаясь между коммутатором ЛВС (LAN) и запитываемым устройством PD. Промежуточные инжекторы обеспечивают сквозную передачу данных. Их применение целесообразно для установки питающего оборудования в существующие сети, т.к. при этом не требуется замены коммутатора.
Оконечное устройство питания является коммутатором со встроенными функциями PoE, и потому его использование не требует промежуточного инжектора. Оконечные устройства питания применяются при построении новых сетей с нуля. Поскольку у промежуточных инжекторов имеется доступ только к уровню мощности, в PoE+ они используют классификацию по двум событиям для запроса питания большой мощности. Протокол LLDP использует уровень данных, и потому контроллеры оконечного устройства питания могут связываться с запитываемым устройством с помощью этого дополнительного метода классификации.
У PoE-систем имеются две нагрузки, для которых определяется мощность, — выходной разъем питающего оборудования и входной разъем запитываемого устройства. Одним из наиболее значимых достижений спецификации PoE+ является увеличение тока до 600 мА. Это значит, что PSE-устройство должно обеспечить в непрерывном режиме ток, по крайней мере, 600 мА при минимальном выходном напряжении 50 В, что соответствует мощности в 30 Вт. При расчетном сопротивлении кабеля не более 12,5 Ом на разъеме запитываемого устройства достигается мощность величиной 25,5 Вт. Учитывая эффективность преобразования в 48-В шине, на выходную PD-нагрузку поступает мощность 24,6 Вт.
Разумеется, потребность в большей мощности — требование рынка, и в настоящее время уже появилась острая необходимость в силовых решениях PD, мощность которых превышала бы предлагаемые 12,95 Вт. Существует множество сетевых устройств, нуждающихся в большей мощности питания. Чтобы решить эту задачу, следует проектировать системы с помощью новых питающих и запитываемых устройств стандарта PoE+ (например, компании Linear Technology), которые позволяют вписаться в бюджет энергопотребления в рамках новой спецификации и даже повысить потребляемую мощность в приложениях собственной разработки.
Устройства PSE стандарта PoE+
В настоящее время производители оборудования PSE стремятся как можно быстрее установить в сети мощные порты PoE+. Для обновления существующего оборудования PSE в соответствии со спецификацией PoE+ требуются:
– магнитные компоненты, применение которых при большем токе подмагничивания не вызовет повышения частоты ошибок;
– новый контроллер питающего оборудования с более высоким порогом пропускаемого тока;
– МОП-транзисторы с большей областью устойчивой работы (в зависимости от используемого чипа контроллера);
– большая мощность потребления от энергосети;
– модернизация таких компонентов как разъемы, предохранители, дроссели, защитные диоды от перенапряжения, возникающего при переходных процессах, токочувствительные резисторы и фильтры электромагнитных помех.
Магнитные компоненты и полупроводники, используемые в стандарте 802.3af, во многих случаях можно легко заменить эквивалентами 802.3at. Несмотря на то, что при переходе оборудования PSE от 802.3af к 802.3at в системе требуется произвести множество изменений, мы рассмотрим только ключевой компонент, облегчающий этот переход, — контроллер PoE+ PSE.
LTC4266 компании Linear Technology (см. рис. 2) представляет собой первый контроллер PSE с четырьмя портами, полностью совместимый с 802.3at и обратно совместимый с популярным контроллером LTC4259A, используемым в 802.3af. Он не только обеспечивает запитываемые устройства мощностью тех уровней, которые предусматривает новый стандарт, но и обратно совместим с оригинальным стандартом PoE, позволяя совместно использовать до четырех PD-устройств PoE и PoE+ в различных комбинациях. Как уже отмечалось, в соответствии со спецификацией 802.3at питающее оборудование должно обеспечивать выходную мощность 30 Вт на разъеме PSE, так чтобы после потерь в кабеле на запитываемое устройство подавалось 25,5 Вт. Контроллер LTC4266 обеспечивает 30 Вт, обладая значительно меньшей теплоотдачей.
![]() |
Рис. 2. Четырехканальный PoE+ PSE-контроллер LTC4266 и PoE+ PD-контроллер LTC4269 с интегрированным импульсным стабилизатором |
При проектировании PSE следующего поколения важно выбрать инжектор мощности более высокого уровня, функционирующий в соответствии с новыми механизмами классификации и обеспечивающий надежную и эффективную работу PoE-системы. Контроллер LTC4266 имеет чрезвычайно низкую теплоотдачу, что значительно упрощает тепловой расчет системы по сравнению с PSE-контроллерами, в которых используются менее прочные МОП-транзисторы с обычно более высоким сопротивлением RDS(ON). LTC4266 поддерживает внешние МОП-транзисторы, и в случае сбоя в работе порта из-за отказа МОП-транзистора не возникает эффекта домино, в результате которого прекращают функционировать соседние каналы.
Высокая точность LTC4266 позволяет использовать низкоомные токочувствительные резисторы и, что важнее, МОП-транзисторы с низким значением RDS(ON) при управлении линейными током и напряжением. Минимальное значение токочувствительного резистора может составлять 0,25 Ом, а RDS(ON) — 0,09 Ом, благодаря чему максимальное общее сопротивление канала составляет половину значения этого параметра в случае с другими PSE-контроллерами. В результате отдача тепла значительно снижается, что позволяет разработчикам легко и с высокой надежностью применять LTC4266 без радиатора.
Разработчики PSE-оборудования, не желающие самостоятельно проектировать устройства с нуля, имеют возможность воспользоваться новыми разъемными модулями PoETec PSE ICM (Integrated Connector Modules), которые предлагает ряд поставщиков, в т.ч. Molex, Tyco и Belfuse. В частности, предлагается элегантное 8- и 12-портовое решение с PSE-контроллером LTC4266.
Устройства PD стандарта PoE+
Переход от стандарта 802.3af к 802.3at на стороне запитываемого устройства можно отчасти упростить или свести к замене нескольких компонентов, поскольку к их числу относятся мостовые выпрямители, PD-контроллер, DC/DC-контроллер и трансформатор, что позволяет соблюсти все требования к нагрузке по энергопотреблению.
Вопрос теплоотдачи не стоит так остро для запитываемых устройств, в отличие от питающего оборудования, но в первую очередь необходимо добиться высокой энергоэффективности. Разработчики также должны решить вопрос о том, смогут ли PD-устройства работать от вспомогательного сетевого блока питания, и требуется ли изоляция нагрузки PD. Как и при модернизации PSE до стандарта PoE+, успешная реализация запитываемых устройств в большой степени зависит от PoE+ PD-контроллера.
Для максимального увеличения эффективности PD-устройства необходимо решить ключевые вопросы. Так, при реализации изолированной схемы не следует использовать оптопары, которые обычно применяются в цепи обратной связи преобразователя. Наиболее важным решением может стать выбор гибкого PD-контроллера, позволяющего добиться высокого КПД решения. В качестве эталона компания Linear Technology приводит пример микросхемы LTC4269 с впечатляющим КПД равным 94% для изолированных цепей.
Являясь эквивалентом LTC4266 (см. рис. 2), LTC4269 представляет собой полностью совместимый с IEEE 802.3at полнофункциональный контроллер со встроенным импульсным стабилизатором и вспомогательной поддержкой вплоть до 16 В. Несмотря на то, что стандарт 802.3at ограничивает мощность значением 25,5 Вт, у LTC4269 нет ограничений по току — контроллер может потреблять 30 Вт и более, что позволяет установить собственные уровни мощности и доступ к функциям PD-устройства вне спецификации PoE+. Контроллер имеет повышенную надежность за счет встроенного 100-В МОП-транзистора с возможностью горячей замены, который изолирует PD-контроллер и DC/DC-преобразователь при обнаружении и классификации, обеспечивая также 100-мА пусковой ток для любого PSE-оборудования.
На рынке предлагаются две модели LTC4269 для оптимизации PD-решений. Разница между ними заключается в переключателях — в состав LTC4269 входит синхронный обратноходовой контроллер, тогда как в LTC4269-2 встроен синхронный прямоходовой контроллер. Обратноходовой контроллер позволяет уменьшить число применяемых компонентов и создать требуемое количество выходов за счет дополнительной обмотки. Прямоходовой контроллер имеет немного более высокий КПД, по сравнению с обратноходовым устройством, при больших токах нагрузки.
В обоих случаях синхронное детектирование позволяет повысить выходную мощность, КПД преобразования и улучшить перекрестную регулировку в приложениях с большим количеством выводов. Кроме того, в малошумящих системах контроллеры синхронизируются с внешним генератором. Следует заметить, что в LTC4269-1 применяется запатентованная топология обратной связи No-Opto компании Linear Technology, обеспечивающая полную изоляцию в соответствии с IEEE 802.3 без цепи оптопары [1].
Применение оптопары влечет за собой такие недостатки как обратная связь, в т.ч. переменный коэффициент усиления замкнутой цепи, определяемый допустимым отклонением параметров оптопары, а также чувствительность к высоким температурам и удорожание решения. Оптопару и параллельный стабилизатор в цепи обратной связи заменяют дополнительной обмоткой на трансформаторе, что позволяет улучшить стабилизацию, КПД и упростить схему.
Заключение
PoE+ предусматривает большую мощность и лучшие методы классификации в уже существующих сетях PoE. Для совместимости с этим стандартом инжектор должен подавать 30-Вт мощность в линии данных или резервные линии, а PD-устройство — потреблять не более 25,5 Вт на входе разъема RJ45. Совместимое с PoE+ питающее устройство должно выполнять классификацию оборудования по одному событию; при этом классификация по двум событиям и классификация уровня данных по протоколу канального уровня являются необязательными механизмами.
PD-устройство должно отвечать на попытку выполнить классификацию по двум событиям (посредством PD-контроллера) и по протоколу канального уровня (посредством PD-микропроцессора). В настоящее время уже появились совместимые с PoE+ системы.
- Сегодня целый ряд сетевых устройств - IP-телефоны, точки беспроводного доступа и т.д. - требует дополнительной подачи напряжения от внешних блоков питания. Помочь в этом призвана рекомендация 802.3af.
- 4G (от англ. fourth generation — четвёртое поколение) — перспективное (четвёртое) поколение мобильной связи, характеризующееся высокой скоростью передачи данных и повышенным качеством голосовой связи.