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 R_DS(ON) при управлении линейными током и напряжением. Минимальное значение токочувствительного резис­тора может составлять 0,25 Ом, а R_DS(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.