IEEE:n Power over Ethernet 2 -standardi, joka tunnetaan myös nimellä 802.3bt (ja aiemmin tunnettiin nimellä PoE++), täytti juuri 3 vuotta ja sen käyttö kasvaa koko ajan. Työnantajat ovat hyödyntäneet pandemian aikana tyhjiksi jääneitä toimistoja
ja päivittäneet IT-infrastruktuuria tulevaa varten.

Älykkään toimiston luominen edellyttää toimistotilan varustamista useilla Internetiin yhdistetyillä IoT-laitteilla, mukaan lukien kokoushuoneopasteet, puhelinkonferenssilaitteet ja erilaiset anturit. Älykkään toimiston etuja ovat muun muassa energiansäästö, virtaviivaistettu liiketoiminta ja ehkä tärkeimpänä työntekijöiden lisääntynyt työturvallisuus. COVID-19 on vain lisännyt hyvin ohjattujen rakennusten lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmien ja lukuisten kontaktittomien yhteiskäytössä olevien laitteiden tarvetta. Tämä on pakottanut kiinteistö- ja IT-päälliköt tekemään yhteistyötä ja ottamaan käyttöön PoE-yhteensopivia järjestelmiä. Markkina-tutkimusyhtiö 650 Groupin mukaan maailmanlaajuisesti toimitettavien PoE-kytkinten
ja -porttien toimitusmäärän odotetaan ylittävän 150 miljoonaa vuonna 2025.

Kun PoE 2 ratifioitiin vuonna 2018, se syötti enimmillään 71,3 watin tehoa laitteeseen (PD, powered device), mikä lähes kolminkertaisti edellisen standardin 25,5 watin tehon. PoE 2 mahdollistaa virran siirtämisen saman kaapeloinnin kautta gigabitin ethernetin kanssa, mikä luo pohjan monille eilisen, tämän päivän ja huomisen teho- ja datasyöpöistä sovelluksista. Tällaisia ovat esimerkiksi lämpötilan etävalvontajärjestelmät ja lämpökamerat, joita käytetään työntekijöiden COVID-19-seulonnassa rakennusten sisäänkäynneissä.

Aiemmissa PoE-sukupolvissa yksi virtakanava riitti syöttämään jokaista PoE-porttia. 802.3bt-standardissa tarvitaan kaksi tehokanavaa porttia kohden keskisuurille ja suurille tehotasoille. Myös suurempi tehotiheys kanavaa kohti on otettava huomioon.

Globaaleilla ethernet-markkinoilla PoE-yhteensopivien porttien määrä on lisääntynyt jatkuvasti. Kaikki nämä tekijät ovat johtaneet siihen, että IT-osastot tarvitsevat suuria määriä korkean tehotiheyden ja suuren porttimäärän järjestelmiä, jotka kaikki vaativat viiden ysin (99,999 %) käytettävyyttä ja luotettavuutta. Markkinoilla on pitkään ollut tarve todella skaalautuvalle PoE-alijärjestelmälle, joka helpottaa suuren porttimäärän käyttöönottoa.

PoE-pioneerina, IEEE 802.3bt Task Force -työryhmän jäsenenä ja Ethernet Alliancen aktiivisena jäsenenä Analog Devicesilla on pitkä historia PSE- ja PD-ohjain-toimittajana, ja se on toimittanut markkinoille satoja miljoonia portteja. Juuri julkaistut ADI LTC9101, LTC9102 ja suuren porttimäärän LTC9103 PSE-piiri-sarja ja kaikki ADI:n PoE 2 PD -ohjaimet antavat kehittäjille mahdollisuuden tarjota valmiita PoE 2 -järjestelmiä. Katsotaanpa tarkemmin, mikä tekee tästä uudesta alustasta erityisen tämän päivän markkinoilla.

ALUSTAPOHJAINEN LÄHESTYMINEN PSE-SUUNNITTELUUN

Nykyaikaiset kytkinpiirit ovat erittäin monimutkaisia järjestelmiä, jotka ovat yleensä alttiina ankarille ympäristöolosuhteille, kuten ylijännitteille ja kaapelipurkauksille. Silti niiden on taattava korkea järjestelmätason luotettavuus ja käytettävyys. Aiemmissa lähestymistavoissa PSE-arkkitehtuurissa on tarkasteltu PSE-alijärjestelmän suunnittelua komponenttitasolla keskittyen komponenttien asteittaisiin parannuksiin, jotka eivät välttämättä optimoineet koko järjestelmän suorituskykyä. PSE-alijärjestelmän tarkastelu korkeammalla tasolla pakotti ADI:n suunnittelutiimit miettimään PSE-paradigmaa uudelleen ja toimittamaan järjestelmätason ratkaisuja.

LTC9101/LTC9102/LTC9103 ja näiden tulevat kehitysaskeleet käyttävät tätä järjestelmätason lähestymistapaa yhdistämällä digitaaliset ja analogiset komponentit kokonaisvaltaisesti järjestelmäintegraattorien kohtaamien PSE-haasteiden ratkaisemiseksi. Näihin sisältyvät taulukossa 1 (seur. sivulla) luetellut haasteet.

LTC9101/LTC9102/LTC9103 ovat osa itse-eristävää PSE-ohjain-piirisarjaa, joka on erityisesti suunniteltu alustasta alkaen PoE 2 -järjestelmiä varten. Piirisarjan uusin ominaisuus on sen integroitu eristys. Tästä johtuu piirisarjan arkkitehtuuri, jossa LTC9101 tarjoaa erillisen digitaalisen liitännän PSE-isäntään, kun taas useat LTC9102- ja/tai LTC9103-piirit tarjoavat korkeajännitteisen analogisen ethernet-liitännän.

802.3-spesifikaatiot edellyttävät, että verkkoelementit, mukaan lukien PoE-piirit, on sähköisesti eristetty kotelon maadoituksesta ja PHY-osasta. Sijoittamalla

LTC9101 eristämättömälle puolelle ja LTC9102 tai LTC9103 eristetylle puolelle voidaan jopa kuusi kallista optoerotinta ja eristetty syöttö korvata yhdellä halvemmalla ja luotettavammalla 10/100 ethernet-muuntimella. Tämä topologia johtaa paitsi kustannussäästöihin, myös kestävämpään ja valmistettavampaan PSE-suunnitteluun.

Tämä skaalautuva ratkaisu mahdollistaa suurten PSE-järjestelmien joustavan toteutuksen, jossa voi olla 4-48 porttia riippuen siitä, kuinka paljon tehoa kullekin portille tarvitaan. Jokainen suunnittelu vaatii vähintään yhden digitaalisen LTC9101-ohjaimen ja yhden tai useamman analogisen LTC9102/LTC9103-ohjaimen.

• LTC9102:ssa on 12 tehokanavaa, joissa jokainen kanava syöttää kahdelle neljästä ethernet-kaapelin johdinparista virtaa kahdestatoista 30 W portista (käytettäessä yhtä tehokanavaa porttia kohti) kuuteen 90 W porttiin (kahdella tehokanavalla porttia kohden).
• Vastaavasti LTC9103 tarjoaa kahdeksan tehokanavaa, joita voidaan käyttää kahdeksasta 30 W portista neljään 90 W porttiin.
• Yksi LTC9101 pystyy hallitse-maan jopa neljää LTC9102 ja/tai LTC9103-piiriä, joita voidaan sekoittaa ja yhdistää. Esimerkiksi yhdellä LTC9101-, yhdellä LTC9102- ja kahdella LTC9103-piirillä voitaisiin toteuttaa 24-porttinen PSE, jossa on neljä 90 W porttia ja kaksi-kymmentä 30 W porttia, kuten kuvassa 3 näkyy.

IT- ja kiinteistöpäälliköt arvos-tavat LTC9101-ohjaimen kuudennen sukupolven digitaalisia ominaisuuksia, joihin kuuluu sisäinen eFlash-muisti laiteohjelmisto- eli firmware-päivitysten ja mukautettujen käyttäjien konfigurointipakettien tallentamiseen, taaksepäin yhteensopivuus LTC4291 4-porttisten PoE 2 PSE -ajurien kanssa ja I2C-sarja-liitäntä. LTC9101:n kentällä päivitettävät firmware-kuva-tiedostot tallennetaan omaan flash-osioon, jossa täysin yhteensopiva IEEE 802.3at/bt -laiteohjelmistokuva on esikonfiguroitu. Kaksi täydellistä kopiota laiteohjelmistosta säilytetään erillisissä ECC- ja CRC-suojauksissa parhaan mahdollisen tietosuojan takaamiseksi.

Kun piirisarja on käynnistetty onnistuneesti, käyttäjät voivat määrittää ja kommunikoida piirisarjan kanssa LTC9101:n I2C-liitännän kautta. Jokainen portti voidaan määrittää itsenäisesti johonkin neljästä PSE-käyttö-tilasta (auto, puoliautomaattinen, manuaalinen tai sammutus) ja telemetrialukemia porttivirrasta, PoE-syöttöjännitteestä ja portin tehosta voidaan käyttää järjestelmän tehonhallintaan.

Siinä missä LTC9101 toimii piirisarjan ”aivoina”, LTC9102/LTC9103 ovat järjestelmän ”lihakset”, jotka tarjoavat korkean hyötysuhteen ja kestävyyden korkeajännitteiselle tehopolulle monin tavoin. Jokainen LTC9102/LTC9103-tehokanava on toteutettu erillisellä havainnointi- ja luokituslaitteistolla. Tämän ansiosta kaikki portit voivat havaita, luokitella ja kytkeä virran päälle samanaikaisesti, mikä vähentää huomattavasti kytkimen päälle-kytkentäviivettä. Muut vähemmän kehittyneet PSE:t altistavat syötön kohteen havaittaville viiveille, mikä nähdään esimerkiksi ledivaloissa, jotka syttyvät sarjassa portti portilta. LTC9102/LTC9103 ohjaa kutakin tehokanavaa ulkoisen MOSFETin avulla, joten käyt-täjät voivat valita alhaisen RDS(ON)-arvon komponentit, pienentää tehonkulutusta ja erottaa kanavahäiriöt. 0,1 Ω:n anturivastusten käyttö auttaa edelleen vähentämään tehonkulutusta.

Ylivirtavikojen tai porttien oikosulun aikana LTC9102/LTC9103 poistaa tehon nopeasti noin 1 mikrosekunnissa suojatakseen PSE-, MOSFET- ja alavirtapiirejä. Lisäksi kaikki porttiin päin olevat nastat kestävät jännitetransientteja aina +80 V tai –20 V asti ilman vaurioita. Ehkä vaikuttavin on piirisarjan kyky toimia yli ±6,5 kV:n jännitepiikin yli minimaalisilla ulkoisilla komponenteilla. Tämä on todistettu DC3160-demo-levyllä IEC 61000-4-5 -spesifikaation mukaan. Minkä tahansa vian jälkeen LTC9102/LTC9103 käynnistää MOSFETin nopeasti takaisin turvallisesti rajoitetulla virralla ja minimoi häiriöt syötettävässä laitteessa, mikä on kriittistä verkon käytettävyyden maksimoimiseksi.

PoE 2 -TOPOLOGIAT, TUNNISTAMINEN JA TEHOLUOKAT

PoE 2 esitteli kaksi erilaista PD-tunnistuskonfiguraatiota, yhden ja kahden tunnistuksen PD:t. Yhden tunnistuksen PD (kuva 4, single signature PD) on PoE 2 -laite, joka jakaa saman virta- ja luokitustunnisteen molempien parien välillä. Kaksoistunnistelaitteessa (dual signature PD) on itsenäinen tunnistus jokaisessa parijoukossa, mikä mahdollistaa jokaisen parijoukon täysin itsenäisen luokituksen ja tehon allokoinnin. Kahden tunnisteen PD-laitteet ovat monimutkaisia ratkaisuja, jotka maksavat kaksi kertaa niin paljon kuin yhden tunnisteen ratkaisut.

On syytä huomata, että 802.3bt-standardin kaksoistunnistus-laitteet eivät vastaa esistandardissa määriteltyjä UPoE-laitteita, vaikka niillä on yhteinen arkkitehtuuri. LTC9101/LTC9102/LTC9103-piirit tukevat vankkaa PoE 2 -tunnistusprosessia, joka sisältää uuden yhteydentarkistuksen alimenettelyn sen määrittämiseksi, mikä PD-tunnistus-kokoonpano on liitetty PSE:hen.

Yhteystarkistuksen lisäksi laitteet varmistavat, että kytketty PD on laillinen, IEEE-yhteensopiva laite. Vaikka IEEE edellyttää, että PSE:t havaitsemaan kelvolliset PD-tunnisteet (25 kΩ) käyttämällä joko 2-pisteistä jännitteen tai virran tunnistusmenetelmää, LTC9101/LTC9102/LTC9103-piirit toteuttavat vankemman järjestelmän käyttämällä molempia tunnistusmenetelmiä. Tätä monipisteen (useita jännitteitä ja virtoja) havaitsemisjärjestelmää käytetään väärien positiivisten tulosten poistamiseen ja sellaisten verkkolaitteiden vahingoittumisen välttämiseen, joita ei ole suunniteltu sietämään PoE-tasavirtajännitteitä.

PoE 2 käyttää kahta johdinparia (neljä johdinta) tuottaakseen jopa 25,5 W tehon ja neljä johdinparia (kahdeksan johdinta) jopa 71,3 W tehon saavuttamiseksi. Suurempien tehotasojen lisäksi useiden johtimien käyttö tarjoaa paremman hyötysuhteen vanhemmille, alhaisemmille tehotasoille, koska kaikkien johtimien ollessa päällä kaapelin tehohäviö puolittuu.

Näin esimerkiksi PoE 1 (PoE+) PSE-syöttölaite, joka antaa 30 watin tehon, jotta syötettävä PoE 1 -laite saa 25,5 wattia, menettää 4,5 wattia yli 100 metrin CAT5e-kaapelissa. Saman 25,5 watin syöttö neljällä parilla (PoE 2) vähentäisi häviön alle 2,25 wattiin ja nostaisi tehonsyötön hyötysuhteen 85 prosentista 92,5 prosenttiin. Kun otetaan huomioon PoE-laitteiden määrä maailmassa, tämä tarkoittaa erittäin suurta tehon alenemista ja monissa käyttötapauksissa jopa 7,5 prosenttia pienempää hiilijalanjälkeä.

PoE 2 -standardi esitteli neljä uutta suuritehoista PD-luokkaa, mikä nosti yhden tunnisteen luokkien määrän yhdeksään. Luokat 5-8 ovat uusia ja ne tarkoittavat 40-71,3 watin välillä olevia PD-tehotasoja. PSE:t voivat edelleen valita fyysisen kerroksen (eli 71,3 W 5-tapahtuman luokituksen) tai datalinkkikerroksen (eli linkkikerroksen tunnistusprotokollan, LLDP) käyttämisen syötettävien laitteiden luokittelemiseen, ja PD-laitteen on pystyttävä tukemaan molempia luokitusjärjestelmiä. Kannattaa muistaa, että koska jokainen parijoukko toimii itsenäisesti kaksoistunniste-laitteessa, jokainen parijoukko voi olla eri teholuokkaa. Esimerkiksi luokka 1 (3,84 W) ensimmäisessä parisarjassa ja luokka 2 (6,49 W) toisessa parisarjassa muodostaisivat kaksoistunnisteluokan 1 ja luokan 2 (10,3 W) PD-laitteet.

PoE 2 -laitteissa voidaan myös toteuttaa valinnainen laajennus fyysisen kerroksen luokitteluun, joka tunnetaan nimellä Autoclass. Siinä PoE 2 -syöttölaite kuten LTC9101/LTC9102/LTC9103-piirisarja mittaa kytketyn PD-laitteen todellista maksimitehoa. Tämä kätevä virranhallintaominaisuus mahdollistaa "jäljellä olevan" virran jakamisen muille hehkulampuille, jos ne mittaavat tietyn lampun, koska kirkkaus on asetettu alhaisemmaksi tai kaapeli on lyhyempi, mikä kuluttaa vähemmän kuin luokan ilmaiseman tehon.

On sanomattakin selvää, että PoE 2 on taaksepäin yhteensopiva vanhempien 25,5 ja 13 watin PoE 1 -standardien kanssa. Pienempi-tehoinen PoE 1 laite voidaan yhdistää tehokkaampaan PoE 2 PSE-syöttöön ilman ongelmia. Jos suurempitehoinen PoE 2 -laite on kytketty pienempitehoiseen PSE-syöttöön, voi laite toimia sovitussa alhaisemman tehon tilassa – tätä kutsutaan alenemiseksi. Jos PD-laite ei huomioi alentamista ja toimii suurimmalla teholla, virtaa ahnehtiva PD-laite saa PSE:n käynnistymään toistuvasti, osumaan ylivirtaansa ja sitten sammumaan. Tästä syystä sekä PoE 1- että PoE 2 -laitteet vaativat alennuksen, mutta valitettavasti se jätetään huomiotta joissakin toteutuksissa.

TEHOKKAIN PD-LAITE

ADI tarjoaa useita ainutlaatuisia mikropiirejä, mukaan lukien nyt yhtiöön kuuluvan Maxim Integratedin suunnittelemat piirit, maksimoidakseen PoE 2 PD -suorituskyvyn. Esimerkiksi POE 2 -yksitunniste-rajapinta, jossa on ulkoisen lisävirran tulo, tarjoaa päästä päähän (RJ-45-tulosta PD-kuormaan) hyöty-suhteen, joka on yli 94 prosenttia, ja se toimii -40 °C … +125 °C lämpötila-alueella.

RJ-45-liitäntään liitetty LT4321 on aktiivinen diodisiltaohjain, joka korvaa tarvittavat diodisiltatasa-suuntaajat. LT4321 käyttää pienihäviöisiä N-kanavaisia MOSFET-siltoja samanaikaisesti lisäämään PD-laitteen käytettävissä olevaa tehoa ja vähentämään lämmön haihtumista. PoE 2 edellyttää, että PD-laitteet hyväksyvät minkä tahansa napaisuuden tasavirtasyöttöjännitteet ethernet-tulojensa kautta, joten LT4321 tasasuuntaa ja yhdistää molemmista datapareista tulevan tehon yhdeksi oikeanapaiseksi syöttölähdöksi. Piirin kokonaiskoko ja kustannukset pienenevät, koska parantunut hyötysuhde käytännössä eliminoi jäähdytys-vaatimuksen, ja vähintään 10-kertainen virransäästö mahdollistaa PD-laitteen pysymisen luokituksen tehobudjetin sisällä tai toimintojen lisäämisen siihen.

Diodisiltaohjain on PD-liitännän ”aivot”. LT4295 on PoE 2 PD -liitäntäohjain, johon on integroitu tehokas forward-ohjain tai flyback-ohjain, joka ei vaadi optoerotinta. LT4295 tukee kaikkia yhdeksää PD-luokkaa integroidulla 25 kΩ tunnistusvastuksella, jopa 5 tapahtuman luokittelulla ja yhden tunnisteen topologialla. Sen lisäksi, että LT4295 tarjoaa enemmän PD-tehoa, se saa etulyöntiaseman perinteisiin PD-ohjaimiin verrattuna ulkoisen MOSFET-virtalähteen käytön ansiosta. Se vähentää merkittävästi PD-kokonais-lämpöhäviötä ja maksimoi tehon hyötysuhteen, mikä tulee entistä tärkeämmäksi PoE 2:n korkeammilla tehotasoilla.

Niille PoE 2 PD -suunnitteluille, joiden on kyettävä tukemaan ulkoista apusyöttöä, joissa PD-laitetta voidaan valinnaisesti syöttää virtalähteellä, kuvan 3 yläosassa näkyvä LT4320 on 9-72 V aktiivinen diodisilta. Se korvaa jokaisen täysaallon siltatasasuuntaajan neljästä diodista pienihäviöisellä N-kanavaisella MOSFETilla, mikä vähentää merkittävästi tehohäviötä ja lisää käytettävissä olevaa jännitettä. Virtalähteen ja seinään liitettävän adapterin kokoa voidaan pienentää, koska parantunut hyötysuhde poistaa tilaa vievien ja kalliiden jäähdytyselementtien käytön tarpeen. Pienjännitesovellukset voivat myös hyötyä ylimääräisestä marginaalista, joka saavutetaan säästämällä lähes kaksi täyttä diodipudotusta (~1,2 V, mikä on 10 % 12 V:lla), mikä on ominaista kuumakäyntisille diodisilloille, mikä lisää sovelluksen käytössä olevaa tilaa.

JOHTOPÄÄTÖS

PoE 2 on edelleen erittäin tärkeä kasvavilla globaaleilla ethernet-markkinoilla, vaikka etätyön suosio kasvaa koko ajan. Pienet, keskisuuret ja suuret yritykset, jotka jälkiasentavat rakennuksiin PoE-yhteensopivia skannereita, kameroita ja muita järjestelmiä, tarvitsevat suuren porttimäärän PSE-laitteita enemmän kuin koskaan ennen. ADI:n LTC9101/LTC9102/LTC9103 PoE 2 PSE -piirisarja vastaa kysyntään antamalla kytkimien toimittajille mahdollisuuden syöttää tehokkaasti ja luotettavasti virtaa jopa 48 ethernet-porttiin samalla, kun kiinteistö- ja IT-päälliköiden käyttöön annetaan edistyneet virranhallintaominaisuudet.

Samaan aikaan kaapelin toisessa päässä PD-laitteiden kehittäjillä on edelleen käytössään useita ADI-mikropiirejä integrointiasteen nostamiseksi, lämmön vähentämiseksi ja energiatehokkuuden lisäämiseksi.

Artikkeli on ilmestynyt tuoreessa ETNdigi 2/2022 -lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.

Toukokuun ajan voit myös osallistua kisaan, jossa voit äänestää lehden parasta artikkelia ja voittaa upean OnePlus Nord 2 -älypuhelimen. Lue lisää täällä.