(Power-over Ethernet (PoE‏ - תקן IEEE 802.3bt החדש משפר את הטכנולוגיה עבור יישומי IoT

מאמרים ובלוגים רבים נכתבו על טכנולוגיית (Power-over-Ethernet (PoE ועל העיקרון שלה. דוגמה לכך הוא המאמר של DigiKey "מבוא ל- Power-over-Ethernet".

מאמר זה מנתח ומדגיש את המאפיינים החדשים שהוצגו בתקן IEEE 802.3bt האחרון בעולם ה- IoT (אינטרנט של דברים) של ימינו בו הכול ("הדברים") מחובר, מבוקר ומנוטר באמצעות האינטרנט.

שיפורי IEEE 802.3bt

השיפור הראשון והחשוב ביותר בתקן 802.3bt הוא היכולת להעביר הרבה יותר הספק להתקני הקצה (התקנים מוזנים - PD‏ = Powered Devices‏) - W‏ 71.3‏, תוך שליחת W‏ 90‏ מהצד של ציוד מיקור ההספק - (PSE‏ = Power Sourcing Equipment‏).

שנית, הוא תומך בקצב העברה של עד Gb/sec‏ 10‏ של התקני הרשת דרך כבל Cat5e.

שני שיפורים אלו בהספק ובמהירות האותות מאפשרים לאינספור התקני IoT חדשים, ובמיוחד התקני IIoT‏ (IoT תעשייתי) רעבים להספק ובמהירות גבוהה, להיות מוזנים על ידי טכנולוגיית PoE. להלן כמה דוגמאות של יישומים חדשים אלה:

• אודיו מקצועי
• שילוט דיגיטלי
• יחידות רדיו של תאים סלולריים קטנים 5G (תשתיות ניידים: טכנולוגיות 3G‏, 4G‏, 5G)
• נקודות גישה אלחוטית (WAP‏) 802.11ac
• רשתות אזור מקומי אלחוטיות (WLAN) עם קצב העברה גבוה
• בקרת גישה תעשייתית
• תאורה
• בתים חכמים
• אוטומציה בבניינים ובמפעלים
• מסופי נקודות מכירה (POS)
• עמדות מידע
• מצלמות IP חוץ עם מחממים
• צגים/לאפטופים
• תאורת תקרות דיגיטלית

המאפיינים החדשים של IEEE 802.3bt

התקן החדש של PoE IEEE 802.3bt מגדיר מספר מאפיינים חדשים ושיפורים בהשוואה לתקן 802.3at הישן יותר התורמים לחיסכון בהספק ולנצילות גבוהה יותר; ובכך מאפשרים להתקני קצה לשוב ולהשתמש בטכנולוגיית PoE.

בעיקרון, פלטפורמת IoT כוללת ארבעה אבני בניין:

• חישה/ניטור
• עיבוד (MCU)
• חיבוריות (אלחוטית וחוטית)
• ניהול הספקת-הכוח

המאפיינים/שיפורים החדשים של תקן IEEE 802.3bt מועילים עבור אבן הבניין של ניהול הספקת-הכוח של ה- IoT שצויינה לעיל. ארבע מתוך מאפיינים/שיפורים אלו כוללים חתימת הספק שמירה (MPS)‏, Autoclass, חתימה יחידה/כפולה של ה- PD, והספק מורחב ל- PD, הנידונים בפירוט בפסקאות להלן.

חתימת הספק שמירה (MPS‏ = Maintain Power Signature‏ - ה- MPS הוא צריכת ההספק המינימלית שה- PD מושך כדי לשמור על ה- PD פועל כך שהוא לא ינותק מה- PSE. ה- PSE נדרש לנתק את הספקת-כוח כאשר ה- MPS נעדר למשך של לפחות ms‏ 400‏, ניתוק המבטיח שהכבלים המנותקים לא יישארו מוזנים ותחת מתח.

בנוסף, כמעט לכל ה- PD ביישומי IoT יש אופני שינה או הספק נמוך. התקני PD אלו צריכים למשוך זרם גבוה יותר על מנת להישאר מוזנים, וזאת בסתירה לרעיון של היותם באופן-המתנה עם הספק נמוך. ה- MPS הקצר מתמודד עם סתירה זו על ידי הפחתת יחס המחזור ומשך הזמן שבו חייבת חתימת ההספק להיות מיוצרת כדי לשמור על חיבור הספקת-הכוח. שינוי זה משפר את הספק אופן-המתנה המינימלי בפקטור של 10, המאפשר להתקני הקצה של ה- IoT להיות מופעלים באמצעות PoE ועדיין לשמור על צריכת ההספק באופן-המתנה כך שתהיה מתקבלת על הדעת.

ביישומי IoT בהם חלק גדול מההתקנים משתמשים ב- PoE, כמו תאורת LED לדוגמה, הפחתת צריכת ההספק באופן-המתנה היא קריטית.

Autoclass‏ - ה- Autoclass מאפשר הקצאה ממוטבת יותר של תקציב ההספק מה- PSE ל- PD. בעיקרו של דבר, ה- PSE "מודד" את הפסדי כבל ה- Ethernet ואת צריכת ההספק של ה- PD המחובר לאורך פרק זמן מוגדר, ו"יודע" לספק כוח "בפועל" ל- PD זה, במקום את הכוח ש"הוקצה" גבוה יותר כמוגדר על ידי קטגוריית ה- PD. זה מאפשר לאותו PSE להזין יותר התקני PD, ולכן יותר התקני קצה של IoT.

חתימה יחידה/כפולה של ה- PD - תקן IEEE 802.3bt תומך בשני מבני PD‏: PD עם חתימה יחידה ו- PD עם חתימה כפולה. על ה- PSE לתמוך בהתקני PD גם עם חתימה יחידה וגם עם חתימה כפולה.

התקנים עם חתימה כפולה מאפשרים יישומים הדורשים עד אותה רמת הספק מקסימלית כמו התקנים עם חתימה יחידה ומעניקים גמישות נוספת של תצורות עומס שונות ומבודדות. דוגמה לכך יכולה להיות מצלמת מעקב חוץ שצריכה להיות מופעלת ביחד עם מחמם או מאוורר קירור כדי שתוכל לפעול בתנאי טמפרטורה קיצוניים. דוגמה נוספת יכולים להיות יישומי IIoT עם מעגלי יתירות המשמשים עבור מטרות אמינות ובטיחות המופעלות לסירוגין, אך לא באותו הזמן.

איור 1 מציג עקרונות חתימה כפולה/יחידה.

איור 1.: עקרונות חתימה כפולה/יחידה (מקור התמונה: Microchip)

מידע טכני נוסף על IEEE 802.3bt עם חתימה כפולה ניתן למצוא באתר האינטרנט של (Ethernet Alliance (EA.

הספק מורחב ל- PD - תקן IEEE 802.3bt מגדיר הספק מקסימלי של W‏ 90‏ שה- PSE יכול לשלוח ו- W‏ 71.3‏ שהתקן PD יכול לקבל. נפילת הספק זו מה- PSE ל- PD מביאה בחשבון הפסד מקסימלי של W‏ 19‏ דרך הכבל במלוא אורכו המקסימלי של 100 מטר המוגדר על ידי תקן ה- Ethernet. עם תקן IEEE 802.3bt החדש, ה- PD יכול למדוד את התנגדות הכבלים, לחשב את ההספק שאבד בכבל ולספק כוח גבוה דיו כדי לפצות על ההספק המקסימלי ה"מבוזבז" של W‏ 19‏ המתפזר על ידי כבל באורך של 100 מטר. אם המרחק מה- PD ל- PSE הוא פחות מ- 100 מטר, ניתן לספק יותר מ- W‏ 71.3‏ ל- PD. לדוגמה, אם אורך הכבל הוא בתחום של 2-5 מטר, ההספק שה- PD יכול לקבל מה- PSE יכול להיות קרוב ל- W‏ 90‏ שה- PSE שולח.

שיפורים בנצילות ההספק ב- IEEE 802.3bt

בתקן 802.3bt אמנם לא הוגדרה במפורש נצילות ההספק, אך בסמוך לאשרורו וברוח נצילות הספקת-הכוח ודרישות יישומי IoT, מספר יצרני מעגלים-משולבים (IC) של PoE מובילים שיפרו את תכני השבבים שלהם כדי להתמודד עם נצילות ההספק.

איור 2.: טופולוגיית בלוק PoE (מקור התמונה: Microchip)

לפני שבוחנים את איור 2, יש להגדיר את הפונקציונליות הן של ה- PSE והן של ה- PD.

עבור ה- PSE, ניתן לסכם בקצרה את דרישות הפונקציונליות כדלקמן:

• גילוי PD חוקי
• קביעת הסיווג של יכולות ההספק של ה- PD
• הספקת-כוח מ- W‏ 4‏ עד W‏ 90‏ ב- V‏ 44‏ עד V‏ 57‏ ל- PD
• ביצוע מיטוב והקצאת ההספק
• ביצוע ניטור תקלות וניתוק במידת הצורך
• כיבוי הספקת-הכוח לנקודת-החיבור המתאימה אם מתגלה תת-זרם
• הספקת הגנת מתח-יתר
• הספקת בידוד ממעגלי המיתוג

בדומה, סיכום הפונקציונליות של ה- PD הוא כדלקמן:

• הספקת הגנת קוטביות
• הספקת חתימות עבור גילוי וסיווג נכון
• ביצוע מיטוב ההספק
• הספקת בידוד
• הספקת ממתח אופציונלי עבור התנעת DC/DC
• המרת V‏ 57‏ מטה למתח ההספקה המיוצב הנדרש עבור היישום

כפי שניתן לראות באיור 2, ההספק מה- PSE נשלח דרך כבל ה- Ethernet ל- PD. שבב גשר הדיודות של התקן ה- PD מיישר את מתח הכבל. במערכת PoE עם 2 זוגות, ניתן לספק את המתח דרך הזוג המשמש להעברת הנתונים או דרך הזוג הרזרבי, אך לא דרך שניהם. במערכת PoE עם 4 זוגות המוגדרת על ידי ה- IEEE 802.3bt, כל הזוגות מוזנים.

לפיכך נדרשים שני גשרים בתוך ה- PD (איור 3).

איור 3: שני גשרים בתוך ה- PD (מקור התמונה: Analog Devices/Linear Tech)

לפתרון גשר הדיודות הקונבנציונלי יש מספר חסרונות:

• הפסדי הספק גבוהים הנגרמים על ידי מפל המתח על הכבל
• פיזור חום גבוה
• דורש שיקולי תכנון תרמי נוספים

בגלל החסרונות שלעיל, השימוש בגשרי דיודות מסורתיים ביישומי IoT רבים הוא בעייתי מאוד, אם לא בלתי-אפשרי.

פתרון יעיל יותר מגשר הדיודות הוא מה שמכונה ^™IdealBridge, שהוצג לראשונה על ידי חברת Microsemi (כיום Microchip). פתרון זה הוא גשר מבוסס MOSFET תעלת-N עם בקר.

ההבדלים בין גשר דיודות קונבנציונלי כפול לעומת IdealBridge יחיד מוצגים באיור 4.

איור 4: גשר דיודות קונבנציונלי כפול לעומת ™IdealBridge יחיד (מקור התמונה: Microchip)

היתרונות של IdealBridge כוללים:

• פתרון משולב-במלואו המקטין את ה- BOM - חוסך מקום על לוח ה- PCB ומפשט את המימוש
• מעגלי דחיפה-עצמית עבור רכיבי ה- MOSFET
• _(DS(ON‏R נמוך, צריכת הספק נמוכה
• מקסום נצילות הספקת-הכוח - הספק ומתח יציאה גבוהים יותר
• הפחתה דרמטית של פיזור החום וביטול נושאי תכנון תרמי והצורך בצלעות-קירור
• עובד עם יישומי PoE עם 2 זוגות ועם 4 זוגות
• תאימות עם תקני IEEE 802.3xx

החברות Microsemi/Microchip מציגותאת פתרון "™IdealBridge" הראשון עם ה- PD70224. פתרונות דומים אחרים הם LT4321 מבית Analog Devices/Linear Tech‏, דיודה אידיאלית ערוץ-1 (לא גשר דיודות) FDMQ8205A מבית ON Semiconductor, והפתרון המשולב (IdealBridge משולב לתוך שבב מעגלים-משולבים (IC‏) PD‏) PM8805 מבית STMicroelectronics.

סיכום

תקן IEEE 802.3bt האחרון מוסיף מאפיינים חדשים לטכנולוגיית PoE ומשפר את הקיימים. מאפיינים אלו מרחיבים את מגוון התקני הקצה שניתן לחבר באמצעות עקרון ה- PoE, ובכך תומכים ביישומי IoT חדשים רבים.

כדי לתמוך בתשתיות שאינן PoE, ישנם פתרונות ביניים שונים כמו Midspans/מזרקים ומפצלי הספק. עם זאת, חשוב לציין כי IEEE 802.3bt הוא תקן חדש יחסית ויצרנים רבים הציעו מוצרים בתחום זה עוד לפני אשרורו בסוף 2018. על מנת למנף את היתרונות של המאפיינים החדשים של ה- IEEE 802.3bt ולשמור על יכולת תפעוליות-בינית (Interoperability) בין היצרנים, על החלקים והמוצרים להיות מורשים לתקן IEEE 802.3bt זה, וחייבים לציין זאת במפורש בגיליונות הנתונים.