Super-Plus
Mit dem AS1135 lassen sich PoEplus PDsnach dem zukünftigen 802.3at Standard ausrüsten
Power Over Ethernet (PoE) hat vor allem durch IP-Telefone und Wireless Accesspoints in den letzten Jahren großes Momentum erlangt. Mit den 13 Watt übertragener Leistung des 802.3af-Standards ließ sich allerdings auch gerade mal diese Geräteklassen versorgen, für andere Netzwerkgeräte wie IP-Kameras mit PTZ-Fähigkeiten oder große TFT-Bildschirme ist das selbst bei effizientester Technik nicht ausreichend. Nun steht aber der Nachfolgestandard PoEplus (802.3at) unmittelbar vor seiner Verabschiedung und erste Implementierungen erscheinen bereits auf dem Markt. 30 Watt lassen sich nun aus dem Ethernet ziehen und ermöglichen die Fernversorgung einer großen Zahl unterschiedlicher Geräte. Akros Silicon bietet mit seinem AS1135 einen Draft-3 konformen Controller für Powered Devices.
Generation 30+
IEEE802.3at oder auch PoE Plus erweitert 803.3af rückwärts kompatibel und ermöglicht eine Übertragung von wenigstens 30 Watt am PD, also ca. das Doppelte der heutigen Leistung. Dazu wird als Verkabelung CAT 5E verbindlich vorgeschrieben sowie die Spannung am PSE von derzeit 44..57V auf 50..57V erhöht. Der eingespeiste Strom wird von 350mA auf 720mA angehoben und gleichzeitig eine Kabeltemperatur von maximal 45ºC festgeschrieben.
Natürlich ergibt sich nun die Problematik, dass PSEs nach PoEplus mit PDs nach dem „alten“ PoE-Standard umgehen können müssen und umgekehrt. Dazu wurde die Klassifizierung ein wenig „aufgebohrt“: Mit dem ersten Klassifizierungsimpuls müssen sich PoEplus-PDs mit einem Signaturstrom von 44mA als Klasse-4-Elemente ausweisen und beim zweiten, zusätzlichen Impuls, erneut einen Signaturstrom von 44mA ziehen. Ein Standard-PoE-Gerät ignoriert diesen zweiten Impuls und kann damit eindeutig von einem PoEplus-Gerät unterschieden werden. Abbildung 1 zeigt den Vorgang anhand eines Oszillogramms der Leitungsspannung und des Signalpins AT_DET.
- Abbildung 1: Die Zweifingerklassifizierung am realen Beispiel des AS1135S PoEplus-Controllers. Nach den zwei Klassifizierungsimpulsen signalisiert der Controller die Erkennung von 802.3at an seinem PIN AT_DET und das PSE erhöht die Spannung auf einen Wert von 50V.
Praktischer Einsatz
Akros Silicon, Start-Up-Firma aus dem Silicon Valley, stellt mit seiner Mixed- Signal-Technologie und proprietären Implementierungen Smart-Power-Devices ausschließlich für Power-Over- Ethernet für die Powered Device Seite (PD) her. Die in einem Standard- Hochvolt-CMOSProzess gefertigten PoE-Controller AS1113, AS1124, AS1130 und AS1135 zeichnen sich durch ihre kleine Bauform und hohen Integrationsgrad aus (siehe auch „technology transfer“ Heft 2, Oktober 2007 „LAN Power“).
Neuestes Mitglied der Wandlerfamilie ist der AS1135, konform zum Draft 3 des PoEplus Standards 802.3at und daher in der Lage, bis zu 30Watt Leistung abzugeben. Alle PoE-Controller von Akros sind untereinander pinkompatibel und daher können Systemhersteller dieselbe Leiterplatte für Geräte mit niedriger und höherer Leistungsaufnahme heranziehen, ohne komplette Redesigns 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 aufbauen, je nachdem, ob isolierte oder nicht isolierte Strukturen erforderlich sind.
Wandlertopologien
Da an einem Ethernet-Switch Leitungen von ganz unterschiedlichen Quellen ankommen, sind die Bezugspotentiale i.d.R. sehr unterschiedlich und Spannungsdifferenzen von mehreren 100 Volt durchaus möglich. Eine potentialgetrennte, also isolierende Umsetzung der PoE-Einspeisung am PD ist also zwingend erforderlich. Dafür gibt es verschiedene grundlegende Schaltungsarchitekturen, die je nach Anwendungsparameter ihre spezifi schen Vorteile haben. Die am häufigsten eingesetzten Strukturen sind Vorwärts- (Forward) und Sperrwandler (Flyback). Vorwärtswandler sind besser geeignet für höhere Leistungen, verlangen aber auch einen höheren Einsatz an Komponenten auf der sekundären Seite. Flyback-Designs hingegen sind deutlich einfacher auf der Sekundärseite und daher unschlagbar preiswert, können aber nicht die Ströme der Forward-Designs erreichen.
Forward- oder Flusswandler
Beim Forward-Converter oder dem sog. Flusswandler wird die Energie während der leitenden Phase des primären Schaltelementes übertragen. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird die Induktivität der primären Wicklung möglichst groß gewählt, damit die Magnetisierungsströme reduziert und Wechselstromverluste in den Windungen minimiert. Die Transformatorkerne bei den Flusswandlern haben generell keinen Luftspalt – damit entsteht eine hohe relative Permeabilität, allerdings lässt sich auf der anderen Seite das Kernmaterial leicht in Sättigung fahren, da die linearisierende Wirkung des Luftspaltes fehlt.
Während der Einschaltphase des primären Transistors fließt gleichzeitig Strom von der Sekundärseite über die Diode D1 zur Induktivität und damit zum Ausgang. Die Energie wird also nicht im Magnetkern gespeichert, daher können recht kleine Übertrager gewählt werden. Sekundärseitig ist allerdings ein L-C-Gebilde notwendig, um Energie für die Ausschaltphase vorrätig zu halten, in der Strom über D2 und die Spule zum Ausgang fließt während D1 gesperrt ist.
- Abbildung 2: Vorwärtswandler - Strom fließt auf der sekundären Seite, wenn primärseitig der Transistor leitend ist.
FlyBack- oder Sperrwandler
Die andere häufig verwendete Variante ist der Flyback-Converter, zu Deutsch Sperrwandler. Dabei muss der Transformator nicht nur Energie übertragen, sondern auch speichern, denn auf der sekundären Seite darf nur Strom entnommen werden, wenn auf der primären Seite nicht geladen wird, der MOSFET also sperrt. Während der Einschaltphase des primären Transistors muss also die Energie in den Transformator geladen wer den, die während der Ausschaltphase auf der sekundären Seite entnommen wird. Daher sind für dieses Design Übertrager mit Luftspalt von Vorteil, da diese nicht so leicht in Sättigung zu bringen sind. Der Sperrwandler ist das kostengünstigste Design und wird im industriellen Umfeld bevorzugt eingesetzt. Ersetzt man die Diode noch durch ein schaltbares Element, so lässt sich sogar ein recht guter Wirkungsgrad erzielen.
- Abbildung 3: Sperrwandler - Strom fließt sekundärseitig, wenn der Transistor auf der Primärseite sperrt.
- Abbildung 4: Der AS1135 misst 5 x 5 mm.
Synchrone Gleichrichtung steigert Effizienz
Eine deutliche Verbesserung des Sperrwandlers in Sachen Wirkungsgrad lässt sich mit dem Austausch der Diode gegen einen Transistor erreichen, natürlich um den Preis höherer Schaltungskomplexität und Kosten. Über den Daumen gepeilt erhöht sich damit die Effizienz um etwa 5%, in der Praxis sind Wirkungsgrade von 85% und mehr zu erzielen.
Der Trick besteht darin, den Spannungsabfall der Diode D1, der selbst bei Schottkyvarianten 0.5 Volt betragen kann, durch geeignete Power-MOSFETs mit geringem RDSon in Richtung 0 zu drücken (Der Spannungsabfall ist Hauptverursacher der Umsetzverluste und wirkt umso dramatischer, je mehr die Designs nach immer niedrigeren Spannungen verlangen. Bei einem 30 Watt-Wandler mit 12 Volt Ausgangsspannung sind die 0.5 Volt gleichbedeutend mit 2.5 Watt Verlust, bei einem 30 Watt-Wandler mit 3.3 Volt Spannung sind es schon 4.5 Watt, die an der Diode „hängen bleiben“). Der MOSFET bringt hier deutliche Verbesserung, allerdings muss er natürlich synchron angesteuert werden, entweder über Steuerausgänge des DC/DC-Controllers oder durch eine zusätzliche Wicklung des Übertragers auf der Sekundärseite, die den Transistor während der Einschaltphase sicher sperrt. Auch in der hier vorgestellten Referenzschaltung des AS1135 kommt die synchrone Gleichrichtung zum Einsatz, schließlich sollen Energieverluste soweit es geht vermieden werden. Als FET findet hierbei der IRF7807Z von International Rectifier Anwendung aber auch der NTMS4872NR2G von ON Semiconductor wurden von Akros qualifiziert.
- Abbildung 5: Vereinfachtes Anwendungsdiagramm des AS1135.
Applikationsschaltung mit dem AS1135
Der AS1135 ist der erste Chip dieser Art, der bereits den vorläufigen 802.3at Standard (Draft 3.0) unterstützt, also die „2-Finger“-Klassifi kation beherrscht. Dabei ist er natürlich rückwärts kompatibel und kann auch an Standard PoE-Switches oder Midspans eingesetzt werden. Der Chip ist im 20-Pin QFN-Gehäuse mit 5 x 5mm2 verpackt und für den industriellen Temperaturbereich -40 .. 85 ºC qualifiziert.
Der DC/DCController ist integriert und steuert einen externen Leistungsschalter für den angeschlossenen Wandler. Dabei überwacht er den Strom durch die Primärwicklung und bietet eine Soft-Start-Funktion beim Hochlaufen. Die Schaltfrequenz des Controllers kann über einen Programmierwiderstand im Bereich von 100 … 500kHz eingestellt werden, in der vorliegenden Anwendung wurden 350kHz gewählt. Den notwendigen Übertrager muss man sich nicht selbst basteln, einschlägige Hersteller wie zum Beispiel Halo Electronic haben spezielle Angebote für PoE-Implementierungen entwickelt.
- Abbildung 6: Anbindung PoE-Controller an die Ethernet- Leitungen.
Schaltungsdetails
Zur Terminierung einer Ethernet-Leitung vom Switch oder Midspan kommt ein integrierter RJ45-Stecker / Übertrager von Belfuse zum Einsatz, der Ethernet bis 1GBit unterstützt und für die Verwendung in PoE-Applikationen vorgesehen ist. Die Mittenanzapfungen der 4 Übertrager werden an 2 Graetzbrücken geleitet und nach Gleichrichtung am Spannungseingang VDD48I des AS1135 angeschlossen. Der Widerstand an Rclass bestimmt den Klassifizierungsstrom zu 40mA und definiert damit die Leistungsklasse 4, d.h. ein PoEplus Gerät. Der Widerstand an Rcurr bestimmt die Strombegrenzung und liegt hier bei 900mA, da der Pin offen bleibt. Der Feedback Pin FB wird nur für nicht isolierende Designs (Buck/Boost) gebraucht und daher auf Masse gelegt. Die Kapazität an CSS bestimmt die Zeitkonstante für den Soft-Start, bei 100nF dauert der Start etwa 2ms, bei 180nF knapp das Doppelte.
Da in praktischen Realisierungen von PoE-versorgten Geräten nicht immer sichergestellt werden kann, dass 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 unterstützen eine externe Versorgung als sog. local power. Die externe Spannung im Bereich von 10 .. 57V wird über eine Diode an Pin VDD48O angeschlossen und gleichzeitig über ein RCNetzwerk an LMODE gelegt. Damit weiß der Controller, dass er eine externe Versorgung erhält und isoliert VDD48I, hält aber den DC/DC-Controller aktiv.
Etwas komplexer zeigt sich die Realisierung des Spannungswandlers, fangen wir also vorne an: Die gleichgerichtete Spannung der Ethernet-Leitungen gelangt vom Pin Vdd48O auf ein π-Filter, das die LAN Leitung von Störungen frei hält. Von dort geht es an die Primärseite des Übertragers und weiter zum primären Schalttransistor, der gegen Bezugspotential arbeitet. Zum Einsatz kommt hier der Si4848DY von Vishay, ein N-Channel MOSFET mit etwa 100mΩ bei 3.5A Strom über die Drain- Source-Strecke. Die Elemente R59, R62, C35 und D6 bilden ein sog. Snubbber- oder Dämpfungsglied, das Verzerrungen auf der geschalteten Primärleitung unterdrückt.
Zur Kurzschlusssicherung auf der sekundären, also der PD-Seite, ist mit den Elementen R83, C18 und Q5 eine wirksame Sicherung realisiert. Die Spannungsdifferenz an PIN 5 und 6 des Transformators beträgt im stationären Betriebszustand etwa 6.5 Volt. Das reicht aus, um den Transistor Q5 sicher im Sperrzustand zu halten. Wenn ein Kurzschluss am Ausgang geschieht, verstellt der AS1135 seine PWM in der Sperrwandlerkonfiguration auf minimales Tastverhältnis und die Spannung an Pin 5 / 6 sinkt. Damit wird Q5 leitend und zieht den COMP-Pin des AS1135 auf Bezugspotential. Dies begrenzt den Strom auf etwa 100mA, bis der Kurzschluss wieder entfernt ist.
Schließlich ist mit dem Optokoppler FOD2712 von Fairschild ein Regelkreis realisiert, mit dessen Hilfe der AS1135 die Spannung am Ausgang exakt einstellen kann. Durch zusätzliche R-C-Glieder wird dieser Regelkreis in seinem Frequenzgang so eingestellt, dass ein stabiler Betrieb ohne Überschwinger aber maximaler Regelgeschwindigkeit entsteht.
- Abbildung 7: Implementierung des Flyback DC/DC-Converters
- Abbildung 8: Evaluationboard des AS1135 mit 30 Watt Ausgangsleistung
60 Watt im Blick
In dem Maße, wie sich Standard PoE in den lokalen Netzen verbreitet, nutzen auch immer mehr LAN-Clients die Stromversorgung über das Ethernet. Das Leistungsangebot von etwa 13 Watt bei 802.3af war Ende der 90’er Jahre, also zum Zeitpunkt der Standardentwicklung, absolut aus reichend, da es noch kaum Geräte zur Nutzung dieser Phantomspeisung gab und die installierten CAT3-Kabel physikalisch auch nicht mehr hergaben. Das hat sich aber inzwischen geändert, denn fast überall sind nun CAT5- bzw. CAT5E-Kabel verlegt mit niedrigeren elektrischen Widerstandswerten und höheren Übertragungsfrequen zen. Zugleich steigt die Zahl der Clients, die von PoE profi tieren könnten sprunghaft an, denken wir an IP-Telefone, IP-Kameras mit Pan- Tilt-Zoom-Steuerung oder Multichannel- WLAN-Accesspoints.
PoEplus gibt darauf mit der Verdoppelung seines Leistungsangebotes auf 30 Watt Antwort, doch die Begehrlichkeiten in Richtung noch üppigerer Versorgungen wachsen. So wird derzeit in der 802.3at working group darüber gesonnen, mit welchen Methoden eine Übertragung von 60 Watt über CAT5E-Kabel wohl realisierbar sein könnte.
Höhere Leistung über 4 Adernpaare
Da mit der PoEplus Spezifi kation die physikalischen Möglichkeiten der CAT5E Verkabelung und eingesetzten Steckverbinder weitestgehend ausgereizt sind, ist eine weitere Verdoppelung der Leistung nur durch Parallelisierung möglich. Tatsächlich sehen die Entwürfe der IEEE Arbeitsgruppe die Möglichkeit vor, elektrische Leistung nicht nur über 2 Aderpaare zu übertragen, sondern alle 4 Paare der CAT5E-Kabel einzusetzen. Dies könnte zu einer glatten Verdoppelung auf 60Watt führen, doch hat die IEEE Arbeitsgruppe offensichtlich „kalte Füße“ bekommen, denn sie schlägt in ihrem Draft 3 vom März 2008 vor, die Leistung pro Aderpaar auf 25 Watt zu begrenzen. Man ist besorgt über mögliche Kabelüberhitzung, die z.B. in großen Netzwerken mit ebensolchen Kabelbündeln zu Verschmorungen oder gar Kabelbränden führen könnte. Was auch immer sich durchsetzen wird, sicher ist, dass PoEplus in seiner endgültigen Verabschiedung eine Leistung jenseits der 50 Watt mit Aufteilung über 4 Aderpaare spezifizieren wird.
