Для эффективного функционирования в PoE-системе современных изделий, энергопотребление которых выросло в три раза по сравнению с устройствами предыдущего поколения, требуется интеллектуальное управление питанием с помощью ИС.
Эволюция PoE-стандартов
В 2011 г. компания Cisco представила 60-Вт универсальное решение UPOE, а организация IEEE подготавливает новый стандарт под названием PoE++, который определяет передачу мощности 60, а в перспективе – 90 Вт по стандартному кабелю Ethernet Cat6 с разъемами RJ-45. Это усовершенствование стандарта PoE представляет собой значительный шаг от первоначального стандарта Inline Power от Cisco, появившегося в 2000 г., и последовавшего стандарта PoE+ (IEEE 802.3at-2009), который поддерживает передачу мощности до 25,5 Вт.
Стандарт PoE++ обеспечит питание очень широкого ряда изделий, к которым относятся тонкие клиенты, IP-телевизоры, поворотные устройства, видеокамеры с дистанционным контролем, терминалы в местах продаж, а также другие устройства, которым требуется отдельный источник питания. Возможно, наиболее существенным преимуществом 60–90-Вт стандарта PoE является поддержка интеллектуального управления энергопотреблением на предприятии путем интеграции оборудования в единую систему. С помощью ИС, установленных во всех запитываемых устройствах (Powered Device, PD), питающее оборудование (Power Sourcing Equipment, PSE) управляет мощностью потребления сетевыми узлами. С увеличением мощности устройств в сети PoE непрерывно растет необходимость в интеллектуальном управлении потребляемой энергией.
Управление потреблением в сетях High-Power PoE
В типовой реализации 15-Вт PoE (стандарт IEEE 802.3af) и 30-Вт PoE+ (стандарт IEE 802.3at) мощность от питающего оборудования к запитываемым устройствам передается с помощью четырех витых пар по стандартному кабелю Cat 5e или Cat 6. Известны два варианта этой схемы. В наиболее распространенном из них электрическая энергия передается по сигнальной паре (см. рис. 1а), а в другом для ее передачи используется запасная пара (см. рис. 1б). В любом из этих случаев питающее оборудование обеспечивает номинальное синфазное напряжение 48 В постоянного тока любой полярности. Каждое PD-устройство получает энергию через диодный мост, который передает ее в схему преобразования. В 60–90-Вт PoE-сетях используются четыре пары кабелей для передачи мощности. Питающее устройство имеет два раздельных источника питания, которые передают 30–45 Вт на любой запитываемый узел. В PSE-оборудовании используются два установленных параллельно друг другу источника питания, передающие энергию через два диодных моста на схему управления питанием PD-устройств (см. рис. 1в).
 |
 |
Рис. 1а–б. Стандартные конфигурации для: а) PoE; б) PoE+
PSE – питающее оборудование; Spare Pair – запасная пара; PD – запитываемые устройства; Signal – сигнал; Power – мощность;
DC/DC Converter – DC/DC-преобразователь
Эта система распределения питания существенно увеличивает диапазон подключаемых к сети устройств. К ним относятся маломощные устройства, например IP-телефоны, узлы управления доступом; среднемощные устройства – IP-камеры, точки беспроводного доступа, а также высокомощные устройства – IP-телевизоры, терминалы в местах продажи и тонкие клиенты. Поскольку при этом требуется обеспечить широкий диапазон требований к питанию, необходимость в управлении мощностью питающего оборудования увеличивается. К числу этих требований относятся следующие:
- максимальная мощность, необходимая для питания каждого сетевого узла;
- потери мощности в кабеле каждого узла;
- постоянный или ждущий режим функционирования запитываемых устройств.
Если каждому порту необходимо непрерывно поставлять максимальную мощность, размеры питающего оборудования должны быть значительно больше, чем требуется в большинстве случаев. Возможность обеспечить питанием каждый узел на требуемом уровне и только при необходимости в этом имеет двойное преимущество, связанное с уменьшением размера источника питания и со способностью работать с максимальной эффективностью.
 |
Рис. 1в. Для передачи мощности 60–90 Вт от сдвоенного источника питания в сеть PoE требуются все четыре пары проводов в Ethernet-кабеле
PSE – питающее оборудование; PD – запитываемые устройства; Signal – сигнал; Power – мощность; DC/DC Converter – DC/DC-преобразователь
60/90-Вт PoE-системы
Реализация современных PoE-систем требует питающего оборудования, которое обеспечивает указанную мощность 60–90 Вт и является эффективным решением для производителей источников питания.
Чтобы соответствовать перечисленным выше требованиям к реализации PoE-систем мощностью 60–90 Вт, необходим интегральный подход к реализации управления питанием, который не только обеспечивает высокоэффективное преобразование с помощью микросхем, но и высокую производительность всей системы. Эти PoE-сети позволяют динамически управлять распределяемой мощностью, контролируя условия эксплуатации и повышая эффективность систем, не ограничиваясь только вспомогательной функцией преобразования энергии. Кроме того, управление энергопотреблением в масштабе всей системы минимизирует электромагнитные помехи от источника питания.
При реализации PoE-системы мощностью 60–90 Вт требуется принять во внимание следующие важные факторы:
- организация многошинного преобразования энергии с учетом тех значений напряжения, которые необходимы для питания подсистем, включая светодиодную подсветку;
- обеспечение мониторинга распределения питания в реальном времени с помощью непрерывного измерения входной мощности и контроля над состоянием питающей сети;
- обеспечение высокоэффективного преобразования, в т.ч. при малых нагрузках, в ждущем и спящем режимах;
- быстрое протекание переходных процессов системы, в т.ч. возможность оперативно изменять режимы работы (режим прерывистого или непрерывного токов), быстрый переход в режимы ожидания и сна, а также выхода из них, обеспечение гибкого управления последовательностью включения напряжения при нескольких шинах питания;
- обеспечение цифрового управления питанием, включая изменение диапазона допустимых напряжений в различных условиях эксплуатации, а также изменение параметров режимов ожидания и сна;
- высокоэффективное управление и ослабление электромагнитных помех от источников питания.
Как следует из этого списка, в интеллектуальном управлении энергопотреблением используется возможность питающего оборудования и запитываемых сетевых устройств устанавливать связь друг с другом, благодаря чему сети работают с оптимальной эффективностью. С этой целью необходима интеграция большого числа функций, к которым относятся преобразование энергии, гальваническая развязка, связь и управление. Современные интегральные системы-на-кристалле (СнК) имеют возможность управлять всеми или большинством из перечисленных функций. В отсутствие СнК, 60-Вт PoE-узлам понадобились бы такие компоненты как две-три ИС по управлению питанием, несколько оптопар и заказных трансформаторов, что не только увеличило бы стоимость решения, занимаемое на плате место, но и усложнило бы систему. Кроме того, такое решение было бы уязвимым к резкому увеличению тока в отсутствие нагрузки в топологии с переключателями нулевого напряжения и потерям, связанным с использованием выпрямительного диода и обратным восстановлением.
Примерами полномасштабного управления питанием служат PoE-решения на 60 Вт и выше, созданные Akros Silicon. Одно из этих решений построено на основе всего двух компонентов – СнК AS1860 и одного внешнего полевого транзистора. Более того, благодаря GreenEdge – технологии цифровой гальванической развязки, система-на-кристалле AS1860 обеспечивает реализацию многих усовершенствованных функций диагностики и телеметрии, которые позволяют операторам осуществлять дистанционное управление питанием. В свою очередь, благодаря этому повышается надежность и энергоэффективность системы.
Функциональная совместимость PSE и PD
Институт IEEE организовал рабочую группу по установлению нового стандарта PoE для быстрой реализации высоковольтных систем, который обеспечивает функциональную совместимость PSE-оборудование и PD-устройств. Компания Akros и Broadcom, ведущий поставщик контроллеров питания, заключили соглашение о сотрудничестве по вопросам обеспечения указанной совместимости. На сравнительно недавно прошедшей выставке в Мюнхене была продемонстрирована модель BCM59111 от Broadcom и СнК AS1860 от Akros (см. рис. 2), которая обеспечивает функциональную совместимость PSE и PD.
 |
Рис. 2. Совместная работа контроллера питания BCM59111 от Broadcom и СнК AS1860 от Akros
Совместимость – основа интеллектуального управления энергопотреблением. Связь между контроллером управления питанием PSE-оборудования и каждым запитываемым устройством обеспечивает информацию о мгновенной нагрузке, потерях в кабелях, статусе системы и другие эксплуатационные данные. СнК AS1860 выполняет функции ввода-вывода, интегральное аналого-цифровое преобразование и гальваническую развязку, поддерживая непрерывную связь с PSE-оборудованием.
Выводы
По мере расширения полосы пропускания Ethernet увеличивается и разнообразие устройств, работающих в PoE-сетях. При этом все более важной становится необходимость в управлении энергопотреблением системы. Требования к питающему оборудованию выполняются путем регулирования распределением питания по сетевым узлам при изменении условий эксплуатации в широком диапазоне. С этой целью запитываемые устройства должны быть в состоянии предоставлять информацию в реальном времени в блок управления PSE-оборудования. Управление потребляемой мощностью в масштабах всей системы обеспечивает универсальные и экономически эффективные средства в соответствии с растущими требованиями к PoE-системам.
Литература
- Faisal Ahmed. 60W-90W PoE Systems-Integration Opens Door to Energy Savings//www.powerguru.org.
Читайте также:
IHS: в 2014 г. доходы от устройств цифрового управления питанием вырастут на 65%
Цифровое управление питанием приходит на смену аналоговому
Цифровое управление источниками питания: оправдание надежд
Цифровое управление питанием. Реальность и вымысел
IMS Research: в 2013 г. спрос на источники питания будет стимулировать рост рынка полупроводников
Усовершенствованный стандарт электропитания через Ethernet – PoE+
Источник: журнал «Электронные компоненты»