Single-Pair Power over Ethernet opent nieuwe toepassingsmogelijkheden

Power over Ethernet (PoE) is al jaren beschikbaar om stroom te leveren via Ethernet-kabels, maar de aantrekkingskracht ervan werd beperkt door een afstandslimiet van 100 meter of minder. Nu is er een game-changer met single-pair power over ethernet (SPoE), een door IEEE gestandaardiseerde technologie waarmee stroom en gegevens over lange afstanden kunnen worden verzonden met behulp van een enkel getwist paar binnen een ethernetkabel, wat een nieuwe grens opent voor innovatieve toepassingen.

Ethernet wordt alom gebruikt voor datacommunicatie tussen apparaten en maakt gebruik van vier paar getwiste koperdraden om gegevenssignalen te transporteren, waarbij elk paar één richting van de gegevensstroom draagt. Apparaten die gebruik maken van Ethernet hebben over het algemeen ook een aparte voeding nodig, waardoor de bedradings- en installatiekosten toenemen.

Power over Ethernet (PoE) werd ontwikkeld als uitbreiding op de Ethernet-norm, waardoor apparaten zowel gegevens als stroom kunnen ontvangen via dezelfde kabel door twee paar draden te gebruiken voor gegevensoverdracht en de andere twee voor het voeden van apparaten.

PoE kan tot 90 W vermogen leveren over een maximale afstand tot 100 m. Dat heeft geleid tot PoE-toepassingen zoals IP-camera's, draadloze toegangspunten, VoIP-telefoons en slimme verlichtingssystemen die via één kabel kunnen worden geïnstalleerd en van stroom voorzien. Naast de afstandslimiet zijn er echter nog andere PoE-uitdagingen, zoals de behoefte aan omvangrijke en dure connectors en kabels die hoge stromen en spanningen aankunnen, vermogensverliezen en warmteafvoer.

SPoE introduceren

Door slechts één paar draden te gebruiken om zowel data als stroom te transporteren, kan SPoE datasnelheden tot 1 Gbps bereiken en tot 52 W stroom leveren over kabellengtes tot 1 km (Afbeelding 1), met behulp van kleinere en kosteneffectieve connectors en kabels die compatibel zijn met bestaande RJ45-sockets.

Afbeelding 1: Een SPoE-systeem voor het verzenden van maximaal 52 W vermogen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dankzij de lagere kosten en eenvoudigere implementatie is SPoE zeer geschikt voor een breed scala aan toepassingen in de industrie, de auto-industrie, gebouwautomatisering en IoT-omgevingen, waar het aanleggen van nieuwe bekabeling of het uitsluitend vertrouwen op draadloze LAN's ofwel onpraktisch, kostenverbeterend of beide zijn. Het biedt uitgebreide systeemtelemetrie voor het bewaken van de energietransmissiestatus, foutdetectie en overspanningsbeveiliging.

In een industriële omgeving kan SPoE-sensors en controle-apparaten over lange afstanden van stroom voorzien zonder dat er lokale stroombronnen moeten worden toegevoegd, wat de netwerkinfrastructuur vereenvoudigt, de installatiekosten verlaagt en centraal energiebeheer mogelijk maakt. Hij kan worden gebruikt om stroom te leveren via bestaande Ethernet-bekabeling, waardoor het toevoegen van SPoE-switches en eindpunten een snel en relatief eenvoudig proces wordt.

SPoE maakt deel uit van de IEEE 802.3-norm - IEEE 802.3 cg voor 10 Mbps Ethernet over een enkel getwist paar (10Base-T1L) - en biedt een uitbreiding op de IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL)-norm. PoDL wordt gebruikt in systemen tot 40 m en met 12, 24 of 48 volt; SPoE werkt met een spanning van 24 V of 55 V tot 1000 m.

SPoE is ideaal voor toepassingen die een laag tot gemiddeld vermogen en hoge gegevenssnelheden over lange afstanden nodig hebben, wat niet haalbaar of economisch is voor PoE.

Potentiële toepassingen voor SPoE zijn onder andere:

• Operationele technologiesystemen waarbij betrouwbare communicatie en stroomvoorziening essentieel zijn voor procesbesturing en -automatisering
• Gebouw- en fabrieksautomatiseringssystemen die omgevings- en machineparameters kunnen bewaken en regelen
• Veldinstrumenten, zoals sensoren en actuatoren, die flexibeler en goedkoper kunnen worden ingezet
• Beveiligingssystemen, zoals voor toegangscontrole en bewaking, waarbij SPoE gemakkelijker schaalbaar is
• Verkeersmanagementsystemen die een consistente werking en connectiviteit vereisen
• IoT-randapparaten voeden en beheren
• Stroomvoorziening op afstand voor digital signage en buitenverlichting

Overwegingen voor SPoE-ontwerp

SPoE gebruikt de "fantoomvoeding"-techniek om het voedingssignaal over het gegevenssignaal op hetzelfde paar draden te leggen, waardoor complexe regelaars aan elk uiteinde van de kabel nodig zijn om de voedings- en gegevenssignalen te scheiden en te regelen. Toepassingen moeten ook rekening houden met stroomverliezen en warmtedissipatie langs de kabel, die de prestaties en betrouwbaarheid van het systeem kunnen beïnvloeden.

Een PSE-controller (Power Sourcing Equipment) biedt geavanceerd energiebeheer en -omzetting die ervoor zorgt dat de stroomvoorziening veilig, stabiel en efficiënt is. Het werkt in combinatie met powered device (PD) controllers die energie ontvangen via de 2-draads kabel.

PSE-controllers die zijn ontworpen voor meerdere kanalen kunnen verschillende externe apparaten, zoals sensoren, van stroom voorzien. De LTC4296-1 (Afbeelding 2) van Analog Devices, Inc. (ADI) is bijvoorbeeld een 5-poorts SPoE-controller die tot vijf belastingen van energie kan voorzien via vijf lijnen, elk tot 1000 m lang. Hij levert vermogen met behulp van externe, lage drain-to-source on-weerstand (R_DS(ON)), N-kanaals metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistors (MOSFET's), die de spanningsval minimaliseren en de robuustheid van de toepassing garanderen.

Afbeelding 2: 5-poorts LTC4296-1 PSE-controller (Power Sourcing Equipment) van ADI. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De LTC4296-1 biedt een veelzijdige SPoE, PSE-oplossing voor 10BASE-T1L-controllers en schakelaars, en kan eenvoudig worden geïntegreerd met ADI's 10BASE-T1L-zendontvangerportfoliocomponenten, zoals het ADIN2111CCPZ-R7 2-poorts apparaat, dat een switch, twee Ethernet physical layer (PHY) kernen met een MAC-interface en bijbehorende analoge schakelingen, een spanningstoevoerbewakingscircuit en power-on-reset (POR) schakelingen integreert. De zendontvanger biedt directe connectiviteit met een verscheidenheid aan controllers via een seriële perifere interface (SPI).

Aan de andere kant is de LTC9111RDE#PBF een van de PD-controllers van ADI met een werkbereik van 2,3 V tot 60 V met polariteitscorrectie (Afbeelding 3). De controller beheert de classificatie en bewaking van de lijntransmissie en stuurt twee externe N-kanaals MOSFET-schakelaars aan tijdens de classificatie met micropower-werking om de vereisten voor de reservoircondensator te minimaliseren. Een externe N-kanaals MOSFET-schakelaar isoleert de uitgangscapaciteit van de connector tijdens classificatie en inschakelpiek.

Afbeelding 3: Een LTC4296-1 SPoE PSE-controller is geschikt voor het aansturen van maximaal vijf kanalen, hier gekoppeld aan LTC9111 PD-controllers. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De controllers van de LTC9111-serie geven een geldige wake-up signature aan de PSE om voeding aan te vragen. IEEE 802.3cg compatibele PSE- en PD-controllers voeren de classificatiestap uit met behulp van het classificatieprotocol voor seriële communicatie; de PSE controleert of de PD compatibel is en als dat zo is, wordt de poortspanning verhoogd. Als het bediende elektrische apparaat een andere spanning dan 24 V of 55 V nodig heeft, wordt een extra DC-naar-DC-convertor gebruikt.

ADI levert ook de EVAL-SPoE-KIT-AZ-evaluatiekit voor het evalueren van 10BASE-T1L gegevens en SPoE vermogen via een enkele twisted pair Ethernet (SPE) kabel. De kit bevat de LTC4296-1 PSE-controller en de LTC9111 PD voor evaluatie van IEEE 802.3cg klasse 10 tot 15 SPoE-vermogen en een 10BASE-T1L-zendontvanger om gegevens in het systeem te leveren.

SPoE-toepassingen implementeren

Productontwerpers moeten het stroombudget en de efficiëntie van hun SPoE-oplossingen optimaliseren, rekening houdend met parameters zoals kabellengte, diameter, weerstand, temperatuur en omgeving.

Het in evenwicht brengen van de stroomtoevoer en gegevenstransmissie via een enkel getwist paar brengt uitdagingen met zich mee, zoals het garanderen van voldoende stroom voor apparaten op afstand en het behoud van gegevensintegriteit over potentieel lange afstanden.

Bij lange kabels met een voedingsspanning van 24 VDC, wat gebruikelijk is bij veel OT-implementaties, treden aanzienlijke verliezen op door kabelweerstand. SPoE wordt in de IEEE 802.3cg-norm gespecificeerd om te werken op een spanning van 24 V of 55 V, zodat ontwerpers kunnen profiteren van een verhoogde efficiëntie van de stroomlevering in de buurt van de maximale extra-lage veiligheidsspanning (SELV) van 60 V.

Conclusie

SPoE is een opkomende technologie die gelijktijdige overdracht van gegevens en voeding via een enkel getwist paar in Ethernet-kabels mogelijk maakt. Dit kan de kosten, complexiteit en milieu-impact van netwerkinfrastructuren verminderen en meer flexibiliteit, schaalbaarheid en betrouwbaarheid bieden voor aangesloten apparaten. ADI's portfolio van IEEE 802.3cg-conforme PSE- en PD-controllers kan het ontwerp en de implementatie van SPoE-toepassingen met hoge efficiëntie en weinig ruis vereenvoudigen, waardoor ze ideaal zijn voor industriële, auto- en slimme gebouwsystemen die robuuste en betrouwbare connectiviteit vereisen.