Новые возможности технологии Power over Ethernet Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Новые возможности технологии

Power over Ethernet

Артур ФЕДОРОВ

afedorov@argussoft.ru

Power over Ethernet, или PoE, — технология, позволяющая через сеть Ethernet вместе с данными передавать удаленному устройству по стандартному витому кабелю электрическую энергию. Это весьма привлекательный способ электропитания сетевых устройств. Причем PoE можно применять как при организации новых сетей, так и при модернизации существующих, особенно когда необходимо установить активное оборудование там, где нет поблизости источника питания и электрических розеток. PoE-технология пригодна для решения самых разнообразных задач: разработки IP-телефонии, сетевых и интернет-приложений, подключения камер видеонаблюдения, торговых терминалов, беспроводных точек доступа и даже музыкальных инструментов. К тому же PoE-технология позволяет не только существенно экономить на стоимости силовых кабелей и прочих компонентов, но и сократить время инсталляции Ethernet-оборудования. Быстро развивающийся телекоммуникационный рынок предоставляет компаниям безграничные возможности освоения новых секторов этого рынка. Одна из таких компаний — Silver Telecom — успешно реализует эти возможности.

Краткое описание

Требования к PoE-системам определяются разделом 33 стандарта IEEE 802.3-2005 (обычно называемого IEEE802.3af), который был выпущен институтом IEEE в июне 2003 года. Согласно этому стандарту по двум парам проводников витого кабеля категории Cat.3/Cat.5 подается постоянное напряжение питания 48 В без необходимости внесения каких-либо модификаций в существующую структурированную кабельную сеть (СКС). Максимальный ток составляет 350 мА, то есть максимальная мощность питания равна 16,8 Вт. Однако с учетом потерь лишь ~13 Вт достигает цели, а в импульсных источниках питания теряется еще 10-20% энергии. Стандарт описывает два устройства PoE-системы: питающее устройство, инжектор (Power Sourcing Equipment, PSE), предназначенный для ввода электропитания в сеть Ethernet, и устройство, питаемое через Ethernet (Powered Device, PD). В технических решениях PoE можно использовать два типа питающего оборудования PSE — оконечное (endspan) и промежуточное (midspan). В обоих случаях постоянное

напряжение с устройств Р8Е подается на питаемые устройства. Оконечные устройства представляют собой коммутаторы с трактами передачи питания через ЕЛегпе^ или РоЕ-коммутаторы. Промежуточные устройства располагаются между обычным коммутатором сети и питаемым прибором. Они передают электропитание, не влияя на передачу данных. Оконечное оборудование обычно используется в тех случаях, когда коммутатор по тем или иным причинам необходимо заменить (переход от сети 10/100 к сети 1000 или введение дополнительных протоколов безопасности), промежуточное — когда нужно лишь добавить в сеть РоЕ-средства. Согласно стандарту 802.3а£, при обнаружении РБ-при-бора РвЕ-устройство передает импульс низкого напряжения (2,7-10,1 В), который вызывает ответный импульс тока РБ-прибора. Значение этого тока соответствует классу оборудования и, тем самым, определяет потребляемую им мощность (табл. 1). Для регистрации этого импульса между проводами передачи электропитания РБ включен идентифицирующий резистор с сопротивлением ~25 кОм. Если Р8Е обнаруживает

большее или меньшее значение тока, потребляемого PD (в том числе и короткое замыкание), питание на прибор не подается.

Расширение возможностей технологии Power over Ethernet

Когда институт IEEE начал разработку стандарта IEEE 802.3af, индустрия информационных технологий (IT) была относительно молодой. IP-телефонии еще не было, да и беспроводные точки доступа казались лишь идеями будущего. Однако с момента утверждения стандарта IEEE 802.3af многое изменилось. Сетевая инфраструктура была модернизирована, при этом предусмотрена возможность применения витого кабеля категорий Cat5 и выше. IP-телефония стала неотъемлемой частью любого офиса и предприятия. Повсюду появились беспроводные точки доступа. Все это, особенно установка сетевых камер наблюдения, стимулировало развитие систем, отвечающих стандарту PoE. Стандарт 802.3af, предусматривающий передачу энергии около 13 Вт, обеспечивал питание всех этих сетевых устройств. Популярность технологии PoE заставляла разработчиков искать возможности ее совершенствования, для того чтобы обеспечить подачу электропитания через Ethernet для средств видеотелефонии, мультиканальных беспроводных точек доступа, камер наблюдения с поворотными штативами и переменным фокусным расстоянием и даже портативных и настоль-

Таблица 1. Классификация РР по мощности энергопитания в соответствии со стандартом IЕЕЕ 802.3а!

Класс Используемость Мощность PD, Вт Классификационный ток, мА

0 По умолчанию 0,44-12,95 <5

1 По умолчанию 0,44-3,84 10,5

2 По умолчанию 3,84-6,49 18,5

3 По умолчанию 6,49-12,95 28

4 (резервный) По умолчанию <12,95 40

ных компьютеров... Но для реализации этих нововведений необходима подача электропитания мощностью более 13 Вт, вплоть до 70 Вт. Исходя из этих потребностей, в сентябре 2005 года институт IEEE санкционировал работу по совершенствованию существующих спецификаций PoE. В результате группа разработчиков выдвинула следующие требования к новому стандарту IEEE 802.3at, который часто называют PoE +:

• обеспечить работу PoE-устройств по существующей кабельной проводке категории Cat^ или более высокой и, в отличие от 802.3af, не принимать во внимание ограничения проводки категории Cat.3;

• выполнять требования к безопасности и ограничениям стандарта 802.3af;

• добиться обратной совместимости PSE-устройств стандарта 802.3at с аналогичными устройствами предыдущего стандарта и обеспечить питание PD-приборов, отвечающих требованиям обоих стандартов;

• обеспечить подачу максимальной мощности электропитания в практически допустимых пределах, по крайней мере, до 30 Вт;

• исследовать работу промежуточных PSE-устройств в сети 1000BASE-T;

• исследовать работу промежуточных и оконечных PSE-устройств в сети 1000GBASE-T. Решение использовать кабельную проводку Cat.5 и отказаться от Cat.3 очень важное, поскольку кабели Cat.5e имеют по умолчанию восемь проводов, то есть в два раза больше, чем у кабелей категории Cat.3. Это значит, что без каких-либо изменений значений тока или напряжения новый стандарт позволит увеличить мощность электропитания, по крайней мере, в два раза. Но это еще не все преимущества IEEE 802.3at. Поскольку значение сопротивления кабеля категории Cat.5e составляет всего 62,5% от сопротивления кабеля Cat.3, потери при передаче электропитания будут соответственно меньше. К тому же ток в проводах кабеля категории Cat.5e может достигать более 720 мА и более. Группа разработчиков 802.3af ограничила его этим значением из-за проблемы нагрева проводов. При 720 мА провода нагреваются до температуры 45 °C. Максимальная мощность при передаче электропитания по всем восьми проводам кабеля Cat.5 составляет 59 Вт, по четырем проводам — 28,5 Вт, что вполне достаточно для питания большинства современных PD.

Новый стандарт PoE+, который позволит почти в два раза увеличить мощность, подаваемую питаемым устройствам, должен быть выпущен во втором квартале 2008 года. Однако промышленные компании уже активно разрабатывают схемы, удовлетворяющие требованиям POE+-систем. К ним относится и компания Silver Telecom — мировой лидер в области разработки PoE-модулей и передовых телефонных и сетевых решений (SLIC, COIC, PSTN), которые сегодня являются наиболее динамично развивающимися направ-

лениями телекоммуникационного рынка. Основанная в 1997 году в Ньюпорте, Южный Уэльс, компания Silver Telecom, благодаря инновационным технологиям и высокому качеству выпускаемой продукции, быстро заняла лидирующее положение на телекоммуникационном рынке. Ее продукция поставляется на рынки Северной Америки, Азии и Европы. Компания работает с такими заказчиками, как AudioCodes, Avaya, Hewlett-Packard, D-Link, Samsung, Siemens, и это далеко не полный список. 15 августа 2007 года компания Silver Telecom подписала прямое дистрибьюторское соглашение с ООО «Аргуссофт» — официальным дистрибьютором ведущих мировых фирм, производителей электронных компонентов.

Компания Silver Telecom для различных приложений разрабатывает и производит серию PoE-модулей, которые позволяют подавать на PD питание по кабелю категории Cat.5 (наиболее распространенный тип кабеля в современных сетях Ethernet). Число необходимых дополнительных компонентов модуля минимально. Модули отвечают всем требованиям стандарта IEEE802.3af за исключением встроенной гальванической развязки входа и выхода, которая предусмотрена лишь в приборах серии Ag9000 (1500 В по постоянному току).

В PoE-модулях остальных серий для ее выполнения не требуются дополнительные компоненты, достаточно внешнего пластмассового изолирующего вложения. В соответствии со стандартом IEEE802.3af, модули имеют схему распознавания идентификатора PD и класса оборудования, необходимых для передачи инжектором PSE электропитания на подключенный порт (мощностью до 15 Вт). Большинство PoE-модулей поставляются на различные уровни выходного напряжения (табл. 2), но допускают его изменение в диапазоне от 2,5 до 14 В. Встроенный высокоэффективный DC/DC-преобразователь обеспечивает широкий диапазон значений выходного напряжения с низкими пульсациями и шумом. Кроме того, предусмотрены теп-

Таблица 2. Основные характеристики PoE-модулей Silver Telecom

Серия Номинальное выходное Максимальная выходная

напряжение, В мощность, Вт

Ag9000 9120 12 12

9050 5 9

9033 3,3 6

Ag8000 8012 12 12

8005 5 6

8003 3,3 5

Ag8100 8112 12 12

8105 5 7

8103 3,3 5,25

Ag8200 8212 12 12

8205 5 9

8203 3,3 6,6

Примечание. При температуре 25 °С и входном напряжении 48 В.

ловая защита, а также защита от перегрузок и короткого замыкания. Класс оборудования, обслуживаемого модулем серии, задается путем включения резистора с соответствующим сопротивлением между выводами программирования класса мощности. В случае отсутствия резистора класс оборудования по умолчанию устанавливается нулевым. PoE-модули компании Silver Telecom позволяют эффективно и недорого решать проблемы питания сетевого оборудования при реализации таких приложений, как VoIP, web-камеры, беспроводные точки доступа, камеры видеонаблюдения и охранные системы.

Модули выпускаются в стандартных корпусах с однорядным и двухрядным расположением выводов (S- и D-тип, соответственно) размером 56x14 мм и в корпусах для монтажа на поверхность (М-тип) размером 32x18x11,5 мм.

Серия Ag9000

Рис. 1. Модули серии Ag9000

Входное напряжение модулей серии составляет 36-60 В. В их состав входят два встроенных мостовых выпрямителя, подключенные к двум его входам, благодаря чему модули совместимы с оборудованием, рассчитанным на различные значения мощности электропитания. Выходное напряжение может регулироваться с помощью специального вывода настройки (вывод АБ1). При включении резистора между выводом АБ1 и выводом выходного положительного напряжения +VDC модуля выходное напряжение уменьшается, при включении резистора между выводом АБ1 и выводом -УБС — увеличивается. Модули серии требуют применения всего одного дешевого внешнего развязывающего конденсатора, рекомендуемая минимальная емкость которого составляет 470 мкФ. Для обеспечения нормальной работы БС/БС-преобразователя минимальный ток модуля должен быть равен ~20 мА.

Серия Ад8000

Модули серии, так же как и устройства серии Ag9000, включают два встроенных мостовых выпрямителя. Выходное напряжение модулей серии составляет 36-60 В. Так же, как и модули серии Ag9000, они требуют применения одного внешнего дешевого развязывающего конденсатора с минимальной емкостью 470 мкФ. Для регулировки уровня вы-

ходного напряжения используется вывод ADJ. Значения номинального выходного напряжения могут изменяться в диапазоне 2,4-13 В.

Серия Ag8100

Рис. 3. Модули серии Ag8100

В серию Ag8100 входят модули для поверхностного монтажа. Все варианты серии отвечают требованиям директивы RoHS. Входное напряжение модулей серии составляет 37-57 В. Каждый модуль имеет один вход, который для обеспечения совместимости с оборудованием, рассчитанным на различные значения мощности электропитания, может быть подключен к двум внешним мостовым выпрямителям. Значения номинального выходного напряжения модулей могут быть изменены в диапазоне от 2,5 до 14 В с помощью сопротивления регулировки RA, включаемо-

го между выводами АБ1 и +VDC. Если выводы АБ1 и +VDC разомкнуты — значение выходного напряжения максимально, если выводы закорочены — выходное напряжение минимально.

Серия Ад8200

Рис. 4. Модули серии Ag8200

У модулей серии нет гальванической развязки входа и выхода. Они имеют высокий КПД. Модули требуют применения четырех внешних компонентов: двух мостовых выпрямителей на входе, RA-резистора и конденсатора с минимальной емкостью 470 мкФ на выходе. Помимо трех значений номинального выходного напряжения можно установить любое значение в диапазоне 2,5-14 В.

Сеия Ag5000

Компания Silver Telecom выпустила и модули Ag5000, удовлетворяющие требованиям стандарта IEEE802.3at и обеспечивающие выходную мощность до 30 Вт. Модули предназначены для таких приложений, как точки доступа WiMax, IP-телефония, камеры и компьютеры с дистанционным управлением. Задача обеспечения конфигурации питания в соответствии с требованиями PoE+ решена в модуле с помощью динамического совместного использования входной мощности. Модуль автоматически определяет, по каким каналам вводится мощность: проводниками данных, свободной парой проводников или

Рис. 5. Модули серии Ag5000

обеими парами. Модуль может автоматически обнаружить разбаланс входного напряжения и отрегулировать распределение нагрузки. Двойные входы модуля отвечают и требованиям опознания идентификатора и класса оборудования стандарта IEEE802.3af. В результате модуль Ag5000 может работать не только с инжекторами PoE+ различных производителей, но и с комбинацией двух промежуточных и оконечных инжекторов стандарта 802.3af.

Высокоэффективный DC/DC-преобразователь, так же как и в PoE-модулях, обеспечивает широкий диапазон значений выходного напряжения с низкими пульсациями и шумом, тепловую защиту и защиту от перегрузок и короткого замыкания.

Основные характеристики модуля:

• выходная мощность — 30 Вт;

• КПД DC/DC-преобразователя — 85%;

• регулируемое выходное напряжение — 7,3-29 В;

• гальваническая развязка входа и выхода — 1500 В;

• напряжение на входе — 36-57 В.

Вывод: технология Power over Ethernet развивается очень быстрыми темпами и уже сегодня занимает свою нишу на телекоммуникационном рынке. ■