העברת הספקת-כוח על-גבי Ethernet‏ בזוג חוטים יחיד פותחת אופקים חדשים עבור יישומים

Power over Ethernet‏ (PoE‏) זמין כבר שנים עבור העברת הספק על כבלי Ethernet, אך האטרקטיביות שלו הוגבלה למרחק של 100 מטר או פחות. כעת, הופיע משנה-משחק הודות ל-Power over Ethernet‏ Single-pair‏ (SPoE‏), טכנולוגיה עם תקן IEEE‏ המאפשרת העברת הספקת-כוח ונתונים על-פני מרחקים ארוכים באמצעות זוג חוטים מפותלים יחיד בתוך כבל Ethernet‏, הפורץ דרך חדשה עבור יישומים חדשניים.

מבוסס היטב ונמצא בשימוש נרחב עבור תקשורת נתונים בין התקנים, ה-Ethernet‏ משתמש בארבעה זוגות של חוטי נחושת מפותלים כדי לשאת אותות נתונים, כאשר כל זוג נושא כיוון אחד של זרימת הנתונים. התקנים המשתמשים ב-Ethernet דורשים בדרך כלל ספק-כוח נפרד, המוסיף לעלויות החיווט וההתקנה.

Power Over Ethernet‏ (PoE‏) פותח כהרחבה לתקן Ethernet‏, ומאפשר להתקנים לקבל גם נתונים וגם הספקת-כוח על-גבי אותו כבל, באמצעות שני זוגות חוטים להעברת הנתונים ושני זוגות חוטים נוספים עבור העברת הספקת-הכוח להתקנים.

PoE יכול לספק עד W‏ 90‏ של הספק על פני מרחק מקסימלי של עד 100 מטר. זה הוליד יישומי PoE כגון מצלמות IP, נקודות גישת אלחוט, טלפונים VoIP ומערכות תאורה חכמות שניתן לפרוס ולהזין על-גבי כבל יחיד. עם זאת, בנוסף למגבלת המרחק, אתגרי PoE אחרים כוללים את הצורך במחברים וכבלים מגושמים ויקרים היכולים להתמודד עם זרמים ומתחים גבוהים, הפסדי הספק ופיזור חום.

הצגת ה-SPoE‏

באמצעות זוג חוטים אחד בלבד עבור נתונים והספקת-כוח, ה-SPoE יכול להשיג קצבי נתונים של עד Gbps‏ 1‏ ולספק עד W‏ 52‏ של הספק לאורך כבלים של עד 1 ק"מ (איור 1), באמצעות מחברים וכבלים קטנים וחסכוניים יותר התואמים לשקעי RJ45 קיימים.

איור 1‏: מערכת SPoE להעברת הספק של עד W‏ 52‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

עם עלויות מופחתות ומימוש פשוט יותר, ה-SPoE מתאים היטב עבור מגוון רחב של יישומים בסביבות תעשייתיות, רכב, אוטומציה בבניינים ו-IoT, שבהן התקנת כבלים חדשים או הסתמכות על רשתות LAN אלחוטיות בלבד היא או לא מעשית, או יקרה מדי, או שניהם. הוא מספק טלמטריית מערכת מקיפה עבור ניטור מצב העברת האנרגיה, גילוי תקלות והגנת מתח-יתר.

בסביבות תעשייתיות, ה-SPoE יכול להזין חיישנים ולבקר התקנים למרחקים ארוכים מבלי להוסיף מקורות הספקת-כוח מקומיים, לפשט את תשתית הרשת, להפחית את עלויות ההתקנה ולספק ניהול הספקת-כוח מרכזי. ניתן להשתמש בו כדי לספק כוח על כבלי Ethernet קיימים, ההופך את הוספת מתגי SPoE ונקודות-קצה לתהליך מהיר ופשוט יחסית.

SPoE הוא חלק מתקן IEEE 802.3‏ - IEEE 802.3 cg‏ עבור Ethernet‏ Mbps‏ 10‏ על-גבי זוג חוטים מפותלים יחיד (10Base-T1L‏) - המספק הרחבה לתקן IEEE 802.3bu‏, Power over Data Lines‏ (PoDL‏). PoDL משמש במערכות עד 40 מטר ועם 12, 24 או 48 וולט; SPoE עובד עם מתח של V‏ 24‏ או V‏ 55‏ עד 1,000‏ מטר.

SPoE הוא אידיאלי עבור יישומים הזקוקים להספק נמוך עד בינוני וקצבי נתונים גבוהים למרחקים ארוכים, דבר שאינו אפשרי או חסכוני עבור PoE.

יישומים פוטנציאליים עבור SPoE כוללים:

• מערכות טכנולוגיות תפעוליות שבהן תקשורת והספקת-כוח אמינים הם קריטיים עבור בקרת תהליכים ואוטומציה
• מערכות אוטומציה במפעלים ובניינים היכולות לנטר ולבקר פרמטרי סביבה ומכונות
• מכשירי שטח, כגון חיישנים ומפעילים, שניתן לפרוס בגמישות רבה יותר ובעלות נמוכה יותר
• מערכות אבטחה, כגון עבור בקרת גישה ומעקב, שבהן SPoE יכול להתרחב בקלות רבה יותר
• מערכות ניהול תנועה הדורשות תפעול וחיבוריות עקביים
• הספקת-כוח וניהול של התקני קצה IoT‏
• העברת הספק מרחוק עבור שלטים ותאורת חוץ

שיקולי תכנון SPoE‏

SPoE משתמש בטכניקת "הספק פאנטום" כדי לממש סופר-אימפוזיציה של אותות הספקת-הכוח על אות הנתונים על אותו זוג חוטים, מה שמצריך בקרים מורכבים בכל קצה של הכבל כדי להפריד ולייצב את אותות הספקת-הכוח והנתונים. היישומים חייבים גם לתת את הדעת על הפסדי ההספק ופיזור חום לאורך הכבל, מה שיכול להשפיע על הביצועים והאמינות של המערכת.

בקר ציוד מיקור הספקת-כוח (PSE) מספק ניהול והמרה מתוחכמים של ההספק המבטיחים הספקת-כוח בטוחה, יציבה ויעילה. הוא עובד בשילוב עם בקרי התקנים מוזנים (PD) המקבלים אנרגיה דרך הכבל הדו-חוטי.

בקרי PSE המתוכננים עבור מספר ערוצים יכולים להזין התקנים מרוחקים שונים, כגון חיישנים. ה-LTC4296-1‏ (איור 2) של .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) ,כדוגמה, הוא בקר SPoE בעל 5 נקודות-חיבור היכול לספק עד חמישה עומסים עם אנרגיה על פני חמישה קווים, כל אחד באורך של עד 1,000 מטר. הוא מעביר הספק באמצעות טרנזיסטורי אפקט-שדה תחמוצת-מתכת (MOSFET‏) תעלת-N‏ חיצוניים עם התנגדות מצב-מופעל מרזב-למקור (_(DS(ON‏R‏) נמוכה, המקטינים למינימום את מפל המתח ומבטיחים את חוסן היישום.

איור 2‏: בקר ציוד מיקור הספקת-כוח (PSE‏) LTC4296-1‏ עם 5 נקודות-חיבור של ADI‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ה-LTC4296-1‏ מספק פתרון SPoE‏, PSE‏ ורסאטילי עבור בקרים ומתגים 10BASE-T1L‏, וניתן לשלב אותו בקלות עם רכיבי פורטפוליו מקמ"שי 10BASE-T1L‏ של ADI‏, כגון התקן 2 נקודות-חיבור ADIN2111CCPZ-R7‏, המשלב מתג, שתי ליבות שכבה פיזית (PHY‏) Ethernet‏ עם ממשק MAC‏ ומעגלים אנלוגיים קשורים, מעגל ניטור הספקת מתח, ומעגל איפוס בהפעלה (POR‏). המקמ"ש מספק חיבוריות ישירה עם מגוון של בקרים דרך ממשק היקפי טורי (SPI‏).

בקצה השני, ה-LTC9111RDE#PBF‏ הוא אחד מכמה בקרי PD של ADI המעניקים יכולת טווח פעולה של V‏ 2.3‏ עד V‏ 60‏ עם תיקון קוטביות (איור 3). הבקר מנהל את הסיווג והניטור של שידור הקו, ודוחף שני מתגי MOSFET חיצוניים תעלת-N‏ במהלך הסיווג עם פעולה במיקרו-הספק כדי למזער את דרישות קבלי המאגר. מתג MOSFET חיצוני תעלת-N‏ מבודד את קיבוליות היציאה מהמחבר במהלך הסיווג וההתנעה.

איור 3: בקר LTC4296-1 SPoE PSE מתאים עבור דחיפה של עד חמישה ערוצים, כאן מקושרים לבקרי LTC9111 PD. (מקור התמונה: Analog Devices)

בקרי סדרת LTC9111 מציגים חתימת יקיצה תקפה ל-PSE כדי לדרוש הספק. בקרי PSE ו-PD תואמי IEEE 802.3cg מבצעים את שלב הסיווג באמצעות פרוטוקול סיווג תקשורת טורית; ה-PSE מבטיח שה-PD הוא תואם, ואם כן, ממשיך להגביר את מתח היציאה. אם ההתקן החשמלי המופעל זקוק למתח שאינו V‏ 24‏ או V‏ 55‏, משתמשים בממיר DC-DC נוסף.

ADI מספקת גם את ערכת ההערכה EVAL-SPoE-KIT-AZ‏ עבור הערכת נתוני 10BASE-T1L והספק SPoE על כבל Ethernet זוג חוטים מפותל יחיד (SPE‏). הערכה כוללת את בקרי LTC4296-1 PSE ו-LTC9111 PD עבור ההערכה של הספק SPoE‏ IEEE 802.3cg‏ Class 10‏ עד Class 15‏ ומקמ"ש 10BASE-T1L‏ כדי לספק נתונים לתוך המערכת.

מימוש יישומי SPoE‏

מתכנני מוצרים צריכים למטב את תקציב ההספק והנצילות של פתרונות SPoE שלהם, תוך התחשבות בפרמטרים הכוללים את אורך, קוטר, התנגדות, טמפרטורה והסביבה של הכבל.

איזון הספקת-הכוח עם העברת הנתונים על פני זוג חוטים מפותלים יחיד מציג אתגרים, כגון הבטחת די הספק עבור התקנים מרוחקים תוך שמירה על תקינות הנתונים על פני מרחקים ארוכים.

העברת הספק בכבלים ארוכים במתח הספקה של VDC‏ 24‏, שהוא נפוץ בפריסות OT‏ רבות, נתון להפסדים משמעותיים עקב התנגדות הכבל. המפרט של SPoE‏ נמצא בתקן IEEE 802.3cg‏ לפעולה במתח של V‏ 24‏ או V‏ 55‏, כך שהמתכננים יכולים לנצל את היתרונות של נצילות העברת ההספק המשופרת קרוב למקסימום ה-Safety Extra-Low Voltage‏ (SELV‏) של V‏ 60‏.

סיכום

SPoE היא טכנולוגיה מתפתחת המאפשרת העברה בו-זמנית של נתונים והספקת-כוח על-גבי זוג חוטים מפותלים יחיד בתוך כבלי Ethernet. זה יכול להפחית את העלות, המורכבות וההשפעה הסביבתית של תשתיות הרשת, כמו גם לספק יותר גמישות, מדרגיות ואמינות עבור התקנים מחוברים. הפורטפוליו של בקרי PSE ו-PD תואמי-IEEE 802.3cg של ADI יכול לפשט את התכנון והמימוש של יישומי SPoE עם נצילות גבוהה ורעש נמוך, והופך אותם לאידיאליים עבור מערכות תעשייתיות, רכב ובנייה חכמה הדורשות חיבוריות חסונה ואמינה.