Power Over Ethernet von Akros Silikon
Akros Silicon liefert Controller-ICs für Power Over Ethernet
Die Zahl LAN-gekoppelter Geräte ist in den letzten Jahren regelrecht explodiert, denn Technologien wie VoIP oder IP-Media-Streaming haben inzwischen Produktreife entwickelt und werden gut vom Markt angenommen. Die Installation von IP-Telefonen oder WLAN-Accesspoints aber ist immer noch recht unkomfortabel, denn der Anwender muss nicht nur die Netzwerkverbindung über CAT-5-Kabel herstellen, stets ist noch ein Netzteil im Lieferumfang enthalten, das der elektrischen Versorgung der Appliances dient. Händeringend und nicht immer erfolgreich sucht er also eine freie Steckdose, denn meist sind schon alle belegt zum Aufladen von Handies, für DECT-Basisstationen oder Settop-Boxen. Deutlich mehr Komfort und aufgeräumte Schreibtische verspricht hier Power Over Ethernet (PoE), eine Technologie, mit der sich CAT-5-gekoppelte Geräte ohne zusätzliche Leitungen auf ‘s eleganteste speisen. lassen.
- Abbildung 1: Das Power Sourcing Equipment (PSE) kann ein Switch (endspan) oder ein einfacher Hub im LAN sein (midspan). Die Endgeräte nennen sich in der PoE-Nomenklatur Powered Devices (PDs)
Power Over Ethernet ist IEEE-Standard
Power over Ethernet (PoE) wurde durch das IEEE 802.3 Komitee als 802.3af standardisiert. Die Technologie erlaubt die Integration von Datenübertragung und elektrischer Versorgung auf einem Medium, meist CAT-5. Inzwischen arbeitet das Komitee bereits an zahlreichen Erweiterungen des Standards (802.3at, PoEPlus), vor allem mit dem Ziel einer höheren Leistungsübertragung von maximal 30 Watt und damit der Nutzung von Laptops, Videophones oder leistungsfähigen WLAN-Accesspoints ohne eigene Stromversorgung.
PoE erinnert ein wenig an das gute alte Telefonsystem (POTS), bei dem ebenfalls die Versorgung der Endgeräte über das Telefonkabel (a/b-Ader) als Phantomspeisung erfolgte und tatsächlich ist die Technologie recht ähnlich. PoE wird übrigens synonym mit Begriffen wie Power Over LAN (PoL) oder Inline Power verwendet.
- Abbildung 2: Die Übertragung der PoE-Versorgung kann wahlweise über die Datenleitungen oder über die nicht benutzten spare-pins erfolgen
Die Elemente von Power Over Ethernet
Wie in Abbildung 2 gezeigt, besteht ein PoE-System aus 2 Hauptkomponenten, zum einen das „Power Sourcing Equipment“ (PSE, die Quelle), zum zweiten die „Powered Devices“ (PDs, die Senken). Bei den PSEs unterscheidet man weiterhin zwischen „endspan“ und „midspan“ PSEs, erste liefern Daten und Power, die zweite Kategorie schleift Daten durch und addiert das PoE-Feature.
Da zur Übertragung der elektrischen Versorgung das CAT-5-Kabel verwendet werden muss, hat man die Möglichkeit, entweder die bei 10BaseT und 100BaseT nicht benutzten Pins 4, 5 (+) sowie 7, 8 (-) des RJ48-Steckers einzusetzen, oder die Phantomspeisung über die Datenanschlüsse 1, 2, 3 und 6 zu führen. Bei der Phantomspeisung über die Tx/Rx-Leitungen wird die Tatsache genutzt, dass Ethernet-Kabel mittels Übertrager galvanisch von den elektronischen Komponenten getrennt sind. Es ist daher ohne Einschränkung der Signalqualität möglich, diese z.B. durch Nutzung der Center Taps (Mittenanzapfungen) auf unterschiedliche DC-Pegel aufzusetzen. Diese Form des PoEs wird bevorzugt eingesetzt, da bei bestehenden Infrastrukturen nicht immer sicher gestellt ist, ob „spare pairs“ auch tatsächlich in den Kabeln und auf den Steckern vorhanden sind und bei Installation von Gigabit Ethernet sowieso keine freien Leitungen mehr existieren.
| Requirement | Value |
|---|---|
| Maximum Power to PD | 12.95W |
| Voltage from PSE | 44-57V |
| Maximum operating current | 350mA |
| Line resistance | 20 |
| Resulting voltage drop due to series line resistance | 7V |
| Resulting low voltage at PD interface | 37V |
- Abbildung 3: Signalisierungsprotokoll bei 802.3af - die PSEs erkennen damit den Zustand der Leitungen und den Leistungsbedarf angeschlossener Geräte
Power Over Ethernet Operation
Da das PSE beim Einschalten nicht „weiß“, ob PDs angeschlossen sind, welchen Leistungsbedarf sie jeweils haben und ob nicht irgendwo im Netzwerk ein Kurzschluss existiert, definiert der PoE-Standard ein ausgefeiltes Signalisierungsprotokoll, welches die notwendigen „Erkenntnisse“ beim Boot-Up ermittelt und ein ökonomisches Power Management sicherstellt.
Während der sog. sequence signature detection nach Reset bzw. Einschalten (gelbe Fläche in Abbildung 3) legt das PSE eine Spannungsrampe im Bereich von 2.8 bis 10.1 Volt mit einer Steigung von 0.1V/μs an die Versorgungsadern und prüft durch zweimalige Messung die Impedanz des angeschlossenen PDs. Damit findet das PSE heraus, ob ein PD angeschlossen ist und wird im positiven Fall in die Klassifikationsphase übergehen, im anderen Fall die Versorgung der Leitung ausschalten.
Zur Ermittlung der Leistungsklasse („power class“) des PDs während der classification, fährt das PSE die Spannung nun in den Bereich von 14.5 bis 20.5 Volt, worauf das PD einen definierten Strom zieht, das seine Strombedarf signalisiert. Abhängig von diesem Ergebnis justiert das PSE nun sein Leistungsangebot. Gemäß 802.3af sind 5 Leistungslassen definiert, wie in nachfolgender Tabelle aufgeführt.
Nach der Klassifizierung erhöht das PSE schließlich die Phantomspannung auf den nominellen Wert von 48 Volt. Je nach elektrischem Widerstand der angeschlossenen Netzwerkkabel kann die Spannung bis zum PD bis auf einen Wert von 37 Volt absinken, wenn 350mA an Strom zu liefern sind.
| Leistungsklassen nach 802.3af | Anwendung | Leistung am PD (Watt) |
|---|---|---|
| 0 | Default | 0.44 to 12.95 |
| 1 | Optional | 0.44 to 6.49 |
| 2 | Optional | 3.84 to 6.49 |
| 3 | Optional | 6.49 to 12.95 |
| 4 | Reserviert |
Die nächste Generation
2005 hat das IEEE eine neue Arbeitsgruppe gebildet mit dem Ziel, einen Nachfolgestandard für PoE zu definieren. IEEE802.3at oder auch PoE Plus wird 803.3af rückwärtskompatibel erweitern und eine Übertragung von wenigstens 30 Watt am PD, also ca. dem Doppelten der heutigen Leistung ermöglichen. Damit eröffnet sich ein völlig neues Feld für remotely powered devices im Netz, angefangen von üppig ausgestatteten VoIP-Telefonen bis hin zu IP-Kameras mit Schwenk-/Neigetechnik.
Das Angebot von Akros Silicon
Unser Hersteller Akros Silicon stellt mit seiner Mixed-Signal-Technologie und proprietären Implementierungen Smart-Power- Devices ausschließlich für Power Over Ethernet her, und zwar für die PSESeite genauso wie für die PD-Seite. Die in einem Standard Hochvolt- CMOS-Prozess gefertigten neuen PoE-Controller AS1113 und AS1124 zeichnen sich durch ihre kleine Bauform und hohen Integrationsgrad aus.
Der AS1113 entspricht dem 802.3af- Standard und liefert eine Leistung von 13 W. Der AS1124 ist für eine Leistung von 24 W ausgelegt, unterstützt die vorläufigen 802.3at- Spezifikationen und ist rückwärtskompatibel zu 802.3af. Die PoE-Controller zielen auf den Einsatz in VoIP-Telefonen, IP-Sicherheitskameras und drahtlosen LAN-Accesspoints.
Auf den Mitgliedern der AS1100-Familie hat Akros neben den PD- und den DC/DC-Controllern Gleichrichter- und Schutzfunktionen sowie einen Hot-Swap- Schalter integriert, so dass sich das Design der Powered Devices vereinfacht. Weil die Mitglieder untereinander pinkompatibel sind, können die Systemhersteller dieselbe Leiterplatte für Geräte mit niedriger und höherer Leistungsaufnahme heranziehen, ohne komplette Re-Designs durchführen zu müssen.
Der Current-Mode-DC/DC-Converter verfügt über Soft-Start- und Strombegrenzungsfunktionen (bis 800 mA). Über die entsprechenden externen Komponenten lassen sich Flyback-, Forward- und Abwärtsreglertopologien aufbauten, je nachdem, ob isolierte oder nicht isolierte Strukturen erforderlich sind. Die ICs sitzen in einem sehr kleinen QFN-Gehäuse mit 20 Anschlüssen.
Steckbrief der AS1100‘er - PoEBausteine mit nahtlosem Netzwerk- Interface
- Vollständige Unterstützung IEEE 802.3af-2003 und Unterstützung des Pre-Standards IEEE 802.3at-2006 beim AS1124
- Erfüllt die Anforderungen gemäß IEC 61000-4-2/3/4/5/6 / Elektrische Entladungen
- Erfüllt die Anforderungen gemäß IEC 60950 / Überspannungsschutz
- Integrierte Gleichrichtung und Kabelentladungsschutz
- Integrierter DC/DC-Konverter bietet hervorragende EMV-Performance
- Programmierbare DC-Stromgrenze bis 800 mA
- AS1124 unterstützt sog. “two finger” Klassifizierung für Pre-Standard IEEE 802.3at-2006 Higher-Power PDs
- Wahlfreie Versorgung über PoE oder lokale Netzteile
- Schutz gegen Überhitzung
- 5x5 mm QFN-Gehäuse, RoHS-konform
- Anwendung: High power PD, Pre-Standard 802.3at (30W)
- Unterstützen DC-DC Flyback/Forward und Buck/Boost-Konvertertopologien
- Abbildung 4: Blockdiagramm einer PoE Anwendung mit AS1113 von Akros Silicon - der DC/DC-Converter unterstützt unterschiedliche Schaltungstopologien
Gleichrichtung und Schutzbeschaltung
Zum Schutz gegen Verpolung und zur automatischen Korrektur von Verpolungen verfügen die AS11xx Bausteine über einen integrierten Brückengleichrichter und Einrichtungen zum Schutz gegen Transienten und Überspannung. Durch die Integration dieser Komponenten in seine PoE-Controller hat Akros eine Lösung geschaffen, die wesentlich flinker auf Spannungsspitzen und Stromstöße reagieren kann, die in größeren Verkabelungen immer wieder auftreten. Das Design begrenzt wirkungsvoll Einkoppelungen in die Datenleitungen und schützt damit auch empfindliche Bausteine wie Ethernet-PHYs, indem es die Spitzen durch Ableitung gegen Gehäusemasse abbaut. Die Schutzschaltungen wurden sorgfältig dimensioniert, um einerseits die bei Spannungsspitzen auftretenden hohen Ströme bis 30A ableiten zu können, andererseits aber auch selbst keinen Schaden zu nehmen.
AC Stromversorgung
Der integrierte Gleichrichter bietet noch einen weiteren Vorteil, den die Entwickler der Bausteine pfi ffi g genutzt haben – da in praktischen Realisierungen von PoE-versorgten Geräten nicht immer sichergestellt werden kann, das am Einsatzort auch PoE verfügbar ist, brauchen diese Geräte zusätzlich eine Möglichkeit zur elektrischen Versorgung über ein externes Netzteil. Mit den Akros Controllern ist dies recht einfach zu bewerkstelligen, denn Sie bieten einen sog. Vaux-Pin (auxiliary voltage), an dem sich direkt ein AC-Netzteil anschließen lässt. Dem erfahrene Board-Level-Designer mag es zwar gruseln, wenn er 40V AC direkt an einen CMOS-Baustein leiten soll, doch die eingesetzte Technologie erlaubt dies tatsächlich.
Integrierter Leistungsschalter
Die beiden neuen Controller AS1113 und AS1124 verfügen daher nicht nur über integrierte Gleichrichter sondern haben zudem einen Schalter eingebaut, der die Auswahl zwischen der Stromversorgung über Ethernet oder mittels externem Netzteil über Vaux erlaubt. Beim Hochfahren prüfen die PoE-Controller, ob am Vaux-Pin Spannung anliegt und schaltet bei positiven Ergebnis die gesamte Mimik auf diese Versorgungsquelle. Der Anwender kann also stets durch Anschließen des Netzteils entscheiden, aus welcher Quelle sich sein elektronische Devices versorgen soll.
- Abbildung 5: Evalboard zum AS1124
