Компоненты Power-over-Ethernet компании Texas Instruments в системах безопасности (стр. 1 из 2)

Компоненты Power-over-Ethernet компании Texas Instruments в системах безопасности

Андрей Никитин

Power-over-Ethernet (PoE) – технология, позволяющая передавать удаленному устройству данные и одновременно обеспечивать его электропитание через стандартную витую пару в сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, Web-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или по техническим причинам невозможно проводить отдельный кабель сетевого питания. В статье рассматриваются электронные компоненты и решения технологии PoE, предлагаемые компанией Texas Instruments, а также некоторые аспекты их применения в системах безопасности.

Технология PoE стандартизирована нормативным документом Института инженеров по электротехнике и электронике IEEE 802.3af-2005 - Питание через Ethernet (Power-over-Ethernet).

Стандарт описывает два типа устройств PoE:

Питающее устройство или инжектор (Power Sourcing Equipment- PSE), которое предназначено для подачи электропитания в сеть Ethernet;

Устройство, запитываемое через Ethernet (Powered Device- PD). Запитываемым устройством может быть либо само удаленное устройство, поддерживающее технологию PoE, либо разделитель (сплиттер- Splitter), который выполняет функции разделения каналов передачи информационных данных Ethernet и каналов питания. Сплиттер используется для сетевых устройств, не поддерживающих технологию PoE.

Рисунок 1 иллюстрирует различные варианты использования технологии PoE.

Рис. 1. Варианты применения технологии PoE

В сети Ethernet могут использоваться два типа питающего оборудования PSE:

Оконечные (endspan) питающие устройства (или PoE-коммутаторы), которые представляют собой сетевые коммутаторы с интегрированной схемой подачи питания через Ethernet;

Промежуточные (midspan) питающие устройства, которые располагаются между стандартным сетевым коммутатором и запитываемым прибором. Они подают в кабель связи электропитание и не влияют на передачу данных. Промежуточное PSE-оборудование обычно используется в тех случаях, когда нужно лишь добавить в существующую сеть функции PoE.

Как видно из рисунка 1, в обоих случаях постоянное напряжение с питающих устройств подается на запитываемые устройства.

В зависимости от мощности в нагрузке стандарт определяет пять классов устройств, питаемых по PoE:

Класс 0. Мощность, потребляемая запитываемым устройством- 0, 44...12, 95Вт;

Класс 1. Мощность, потребляемая запитываемым устройством- 0, 44...3, 84Вт;

Класс 2. Мощность, потребляемая запитываемым устройством- 3, 84...6, 49Вт;

Класс 3. Мощность, потребляемая запитываемым устройством- 6, 49...12, 95Вт;

Класс 4. Зарезервирован для будущих применений (предполагается использовать для запитываемых устройств мощностью до 25Вт).

Стандарт IEEE 802.3af-2005 определяет питание удаленного устройства постоянным током с номинальным напряжением 48 В (допустимые пределы 36...57 В). Поскольку длина витой пары между питающим (PSE) и запитываемым (PD) устройствами может достигать 100 метров, то падение напряжения на ней будет существенным. Соответственно, выходная мощность PSE-устройства должна превышать максимальную мощность PD-устройств. Минимальная выходная мощность PSE-устройства определяется как 4, 0 Вт для класса 1; 7, 0 Вт для класса 2 и 15, 4 Вт для класса 3.

Технология PoE предполагает два варианта питания удаленных устройств с использованием оконечного PSE-оборудования и один вариант с использованием промежуточного PSE-оборудования.

Рис. 2. Варианты питания PD-устройств технологии PoE

Вариант А. Использование свободных пар кабеля для подачи питания. Кабель категории 5, используемый в сетях 100Base-TX, состоит из четырех пар проводников, две из которых не задействованы. Эти пары могут использоваться для подачи напряжения. Данный вариант представлен на рис. 2а.

Вариант В. Развязка напряжения питания и информационных сигналов осуществляется с помощью высокочастотных трансформаторов на обоих концах линии с центральным отводом от обмоток. Постоянное напряжение питания подается на центральные выводы вторичных обмоток этих трансформаторов и снимается также с центральных отводов на приемной стороне. Такое решение позволяет без взаимного влияния передавать по одной паре проводов высокочастотные данные и постоянное напряжение питания (рис. 2б).

При использовании промежуточного питающего элемента может использоваться только свободная пара (рис. 2в), то есть, по сути - вариант А.

Стандарт предполагает, что запитываемые устройства, поддерживающие технологию PoE, должны быть универсальными, то есть допускать питание как по варианту А, так и по варианту В.

Важным является то обстоятельство, что PSE-устройство подает рабочее питание в кабель только в том случае, если подключаемое устройство является устройством типа PD. Благодаря этому оборудование, не поддерживающее стандарт PoE и случайно подключенное к устройству PSE, не будет выведено из строя. Процедура подачи и отключения питания на кабель состоит из нескольких этапов.

Этап определения подключения служит для того чтобы определить, поддерживает ли устройство, подключенное на противоположном конце кабеля, технологию PoE, то есть является устройством типа PD. На этом этапе PSE-устройство последовательно подает на кабель напряжение: сначала 2, 8 В и затем 10 B. При этом определяется значение входного сопротивления подключаемого устройства. Для PD-устройства - это сопротивление в диапазоне 23, 75...26, 25 кОм (25 кОм ±1%). PSE-устройство также определяет входную емкость ПУ при помощи измерения нарастания напряжения на нагрузке. Измеренная емкость должна быть в пределах 0, 05 и 0, 12 мкФ. Только после проверки соответствия этих параметров нормативам для PD-устройства, питающее PSE-устройство переходит к следующему этапу - этапу классификации.

Этап классификации служит для определения диапазона мощности, которую может потреблять PD-устройство, чтобы затем контролировать эту мощность. Классификация выполняется путем подачи в кабель PSE-устройством напряжения 14, 5...20, 5 В и измерения тока в линии.

Этап подачи рабочего напряжения. После прохождения этапов определения и классификации устройство PSE подает в кабель напряжение 48 В с фронтом нарастания не быстрее 400 мс. После подачи полного напряжения на PD-устройство, PSE-устройство осуществляет контроль над его работой, который заключается в следующем: если PD-устройство в течение 400 мс будет потреблять ток меньше 5 мА, то PSE-устройство снимает питание с кабеля (PSE-устройство непрерывно следит за потребляемой мощностью); если потребляемая PD-устройством мощность будет в течение 75 мс превышать максимальную для своего класса мощность (которая определена на этапе классификации), то PSE-устройство также снимет питание с кабеля.

Этап отключения. Когда PSE-устройство определит, что PD-устройство отключено от кабеля или произошла перегрузка потребляемого тока PD-устройством, происходит снятие напряжение с кабеля за время не меньше 500 мс.

На рис. 3 представлена циклограмма процедуры подачи и отключения питания на кабель. При этом следует иметь в виду, что описанная выше (и приведенная на рисунке) процедура является наиболее типовой. Стандарт допускает повторение этапов определения подключения и классификации при определенных ситуациях. С исчерпывающей диаграммой процедуры включения можно ознакомиться в разделе 33 стандарта [1].

Кратко рассмотрим основные преимущества технологии PoE:

Один кабель для подключения удаленного устройства- экономия трудозатрат на прокладку и монтаж, а также экономия за счет стоимости самого кабеля сетевого питания;

Повышение безопасности- уменьшается число точек подключения сети переменного тока и количество цепей, находящихся под соответствующим этой сети напряжением;

Простота перемещения удаленных устройств- повышение мобильности сети и ее гибкости в плане расширения. Например, Wi-Fi точку доступа можно ставить в месте наилучшего приема сигнала, даже если там нет электрических розеток, или установить IP камеру в наиболее удобном для обзора месте.

Номенклатура PoE-изделий компании Texas Instruments

Перейдем к рассмотрению микросхем компании Texas Instruments, поддерживающих технологию Power-over-Ethernet. В номенклатуре этих изделий можно выделить три направления [2]:

Контроллеры интерфейса PD-устройств с внешним DC/DC-контроллером;

Контроллеры PD-устройства со встроенным DC/DC-контроллером;

Контроллеры PSE-устройств.

Обратим внимание, что, по устоявшейся терминологии, под DC/DC-регулятором (стабилизатором) понимают преобразователь со встроенным коммутирующим элементом (как правило, полевым транзистором). В свою очередь, DC/DC-контроллер - тот же DC/DC-регулятор, но с внешним коммутирующим элементом, то есть максимальный ток нагрузки преобразователя определяется параметрами внешнего транзистора.

Контроллеры интерфейса PD-устройств с внешним DC/DC-контроллером

Номенклатура и технические характеристики контроллеров интерфейса PD-устройств представлены в таблице 1.

Таблица 1. Контроллеры интерфейса PD-устройств с внешним DC/DC-контроллером

Модель	Попыток определения подключения	Классы	Uвх макс., В	Рабочий диапазон температур, °С	Ток нагрузки, мА	Действия при ошибке	UVLO, В	Управление DC/DC-контроллером
TPS2375	4	0...3	100	-40...85	450	Выключение	30, 6...39, 4	Power Good
TPS2375-1	4	0...3	100	-40...85	450	Перезапуск	30, 6...39, 4	Power Good
TPS2376	4	0...3	100	-40...85	450	Выключение	Регулир.	Power Good
TPS2376-H	4	0...4	100	-40...85	600	Перезапуск	Регулир.	Power Good
TPS2375	4	0...3	100	-40...85	450	Выключение	30, 5...35, 0	Power Good
TPS2375-1	4	0...3	100	-40...85	450	Перезапуск	30, 5...35, 0	Power Good

Внешние элементы выпрямителя (диодные мосты, конденсатор, варистор) обеспечивают формирование постоянного напряжения (VDD-VSS) номиналом 48 В с защитой от бросков напряжения свыше 58 В. Как отмечалось выше, контроллеры интерфейса PD-устройств не содержат DC/DC-контроллера и, следовательно, не отвечают за формирование вторичных напряжений, питающих полезную нагрузку, а выполняют только две функции: