Intégration PoE haute puissance à l'aide de solutions IEEE 802.3bt prêtes à l'emploi

Depuis l'introduction de la technologie Power over Ethernet (PoE) en 2003, sa capacité de distribution de puissance a drastiquement augmenté, de ses 15,4 W initiaux à 30 W, mais les concepteurs ont encore besoin de plus pour leurs applications. Un nouvel amendement à la spécification PoE, IEEE 802.3bt, répond à ce besoin en autorisant jusqu'à 60 W (et dans certaines applications, jusqu'à 90 W) à la source d'alimentation.

L'amendement a été ratifié à la fin de l'année 2018. Les premières interfaces à périphérique alimenté (PD) et les premiers contrôleurs d'équipement émetteur d'alimentation (PSE) commerciaux intégrés sont maintenant disponibles, ce qui permet aux ingénieurs de conception de tirer parti de ce qu'on connaît désormais sous le nom de « PoE haute puissance ».

Cet article décrit comment l'IEEE 802.3bt diffère des versions PoE précédentes, avant de présenter les interfaces PD et les contrôleurs PSE intégrés de Microsemi, Texas Instruments (TI), Linear Technology et Nexperia. Il explique la meilleure façon d'utiliser ces dispositifs pour construire un système, en tenant compte de considérations importantes comme la protection des circuits et les exigences en matière de conception et de configuration.

Qu'est-ce que l'IEEE 802.3bt ?

La norme originale (IEEE 802.3af) spécifiait jusqu'à 15,4 W à la source d'alimentation, ce qui était largement suffisant pour les applications telles que les téléphones IP et les points d'accès Wi-Fi, mais pas assez pour les applications ultérieures comme les téléphones vidéo IP ou les caméras mobiles (PTZ). L'amendement de 2009 à la spécification (IEEE 802.3at) a résolu ce problème en spécifiant 30 W à la source d'alimentation. Ces dernières années, la demande a augmenté pour encore plus de puissance afin de prendre en charge des applications par connexion Ethernet comme les terminaux de points de vente (POS), les points d'accès IEEE 802.11ac et l'éclairage LED en réseau.

Pour résoudre ce besoin de plus de puissance, le nouvel amendement IEEE 802.3bt (PoE haute puissance) à la précédente spécification PoE et PoE+ a augmenté la puissance de sortie PSE minimum et la puissance d'entrée PD minimum. Le changement majeur réside dans le fait que la puissance peut être conduite par quatre paires torsadées dans un câble Ethernet Cat5e. Les technologies PoE et PoE+ utilisaient seulement deux des paires torsadées : soit les lignes de données dans les applications « Alternative A », soit les lignes de réserve dans les applications « Alternative B ». (Consultez l'article sur la présentation de Power-over-Ethernet de la bibliothèque de DigiKey.)

La nouvelle spécification a également encouragé l'introduction de dispositifs PSE et PD de « Type 3 » et de « Type 4 » (qui peuvent prendre en charge respectivement 60 W et 90 W) et de classes supplémentaires (5 à 8) pour la puissance d'entrée et de sortie (Tableau 1). Le concepteur doit noter que l'amendement est conçu pour se conformer aux exigences de limite de la source d'alimentation et de très basse tension de sécurité (SELV) de la norme ISO/CEI 60950, qui restreint la puissance à un maximum de 100 W par port.

Tableau 1 : Comparaison de PoE haute puissance (IEEE 802.3bt) avec PoE (IEEE 802.3af) et PoE+ (IEEE 802.3at). La norme IEEE 802.3bt introduit une puissance plus importante avec de nouveaux types PSE et PD, ainsi que de nouvelles classes. (Source du tableau : Microsemi)

Améliorations apportées par l'IEEE 802.3bt

En plus d'une puissance supérieure disponible avec PoE haute puissance, la spécification introduit d'autres fonctionnalités. Les améliorations clés incluent :

• Fonctionnalité de classe automatique
• Prise en charge de basse consommation en veille
• Capacité de puissance étendue si la longueur du canal (câble) est connue

La classification automatique (ou « Autoclass ») est un nouveau mécanisme de classification (en option) propre à PoE haute puissance, qui permet à un PD de communiquer sa consommation de puissance maximum effective au PSE, permettant ainsi au PSE d'adapter le budget énergétique pour qu'il corresponde précisément à ce niveau (en plus de quelques réserves pour les pertes de canaux et une marge de sécurité) pour un meilleur rendement du système.

Pour alimenter les applications avec des exigences de veille rigoureuses, la PoE haute puissance inclut une modification importante dans la durée de courant pulsé minimum qui est utilisé pour garantir le maintien de l'alimentation par le PSE. Auparavant, les PD de types 1 et 2 utilisaient une signature MPS (« Maintain Power Signature ») comprenant un courant pulsé de 10 milliampères (mA) pendant au moins 75 millisecondes (ms) toutes les 325 ms, ainsi qu'une impédance CA inférieure à 26,3 kilo-ohms (kΩ) en parallèle avec 0,05 microfarad (μF). Le changement apporté à la spécification IEEE 802.3bt (qui s'applique aux PSE de types 3 et 4) entraîne une durée d'impulsion d'environ 10 % de celle des PSE de types 1 et 2.

La fonctionnalité de puissance étendue est un autre changement important. Le PD mesure la résistance du câble et calcule la perte de puissance, et par conséquent la réserve de puissance requise pour s'assurer que le PD reçoit l'alimentation d'entrée minimum précisée par la spécification. Dans le pire des cas, la perte de puissance équivaudra à la réserve de puissance spécifiée par les amendements précédents, mais dans les applications pratiques, il est probable qu'elle soit inférieure, économisant ainsi de l'énergie.

Démarrage de PoE haute puissance

L'introduction de quatre classes supplémentaires de puissance de sortie PSE (classes 5 à 8) et des puissances d'entrée PD correspondantes, ainsi que de deux nouveaux types (types 3 et 4) de PSE et de PD ont rendu plus complexe la séquence de démarrage de la technologie. Ce phénomène n'est pas sans conséquence pour les développeurs qui conçoivent les systèmes PoE haute puissance et cela peut influencer le choix du contrôleur PSE.

En général, un dispositif conforme à la norme IEEE 802.3af ou IEEE 802.3at est désigné comme un dispositif de type 1 (classes 0-3) ou de type 2 (classe 4). Les dispositifs conformes à la norme IEEE 802.3bt sont désignés comme des dispositifs de type 3 (classes 5, 6) ou de type 4 (classes 7, 8). La PoE haute puissance définit une méthode permettant de mettre sous tension de manière sécurisée un PD via un câble par un PSE, puis de couper l'alimentation si un PD est déconnecté du câble.

La norme IEEE 802.3bt présente également une limite de temps et de courant d'appel pour garantir la compatibilité entre les PSE et les PD, quels que soient le type et la classe. La limite d'appel est de 400 mA à 450 mA pour les classes 0 à 4, de 400 mA à 900 mA pour les classes 5 à 6, et de 800 mA à 900 mA pour les classes 7 à 8. La limite d'appel PSE s'applique pendant jusqu'à 75 ms après le démarrage, après quoi le PSE de type 2, 3 ou 4 prend en charge un courant de sortie plus élevé, conformément à la classification.

Le processus de démarrage de la PoE haute puissance commence par la mise hors tension du PSE pendant qu'il observe si un élément a été branché au câble. Le PSE classifie ensuite le PD avant de fournir la puissance demandée par celui-ci ou la puissance maximum si le PSE n'a pas la capacité adéquate pour l'alimenter complètement. Il existe également un quatrième état opérationnel utilisé par les PSE de types 3 et 4 pour vérifier si le PD possède la même signature de classification sur chaque paire torsadée.

Comme il s'agit d'une fonctionnalité en option, tous les PSE et PD conformes à PoE haute puissance ne prennent pas en charge la classification automatique ; une vérification de la fiche technique est donc nécessaire pour voir si la fonctionnalité fait partie de la spécification pour le système du développeur. Le contrôleur d'interface d'entrée PD PD70210ILD-TR de Microsemi est un produit qui prend en charge cette fonction via son « bloc de classification avancée ». Le PD70210ILD-TR identifie également, sur les quatre paires du câble, celle qui reçoit réellement la puissance, et génère les indicateurs appropriés (Figure 1).

Figure 1 : Le contrôleur d'interface PD PD70210ILD-TR de Microsemi inclut un bloc de classification avancée pour faciliter la classification de nouvelles classes et de nouveaux types PD introduits dans la PoE haute puissance. La puce peut également identifier, sur les quatre paires torsadées du câble, celle qui reçoit réellement la puissance, via ses broches SUPP_S1 et SUPP_S2. (Source de l'image : Microsemi)

Un PSE qui implémente la classification automatique vérifie d'abord si le PD prend en charge la fonctionnalité, en s'assurant que le courant de la classe tombe à un niveau de courant de classe 0 après un court délai. Si la prise en charge existe, le PSE peut procéder à la mesure de classification automatique immédiatement après la mise sous tension, le PD devant tirer sa puissance maximum dans les 1,35 à 3,65 secondes qui suivent. Une fois démarré, le PD doit présenter une signature MPS pour garantir au PSE qu'il est toujours connecté. La perte de la signature MPS déclenche la mise hors tension du PSE (Figure 2).

Figure 2 : Le processus de démarrage de la PoE haute puissance est plus complexe que pour les versions précédentes, à cause de l'introduction de nouvelles classes et de nouveaux types de PSE et de PD. Sont indiquées ici les trois étapes principales du processus (détection, classification et fonctionnement) et les tensions d'entrée auxquelles elles se produisent. (Source de l'image : Texas Instruments)

Nouveaux contrôleurs compatibles avec la spécification PoE haute puissance

Depuis la ratification de PoE, les développeurs ont tiré profit de la disponibilité des interfaces PD et des contrôleurs PSE intégrés sur lesquels baser leurs conceptions. La tendance se poursuit avec la norme IEEE 802.3bt. Grâce aux fabricants qui ont conçu des produits pour se conformer à la version préliminaire de la spécification, il existe déjà plusieurs contrôleurs PSE et interfaces PD sur le marché, en plus du dispositif de Microsemi décrit ci-dessus.

Par exemple, Linear Technology propose le jeu de puces LTC4291-1/LTC4292. Les composants sont conçus pour fonctionner conjointement afin de former des contrôleurs PSE de type 3 ou 4. Les fonctionnalités de gestion de l'alimentation incluent une surveillance du courant 14 bits par port, une limite de courant programmable et l'arrêt polyvalent des ports présélectionnés. La détection PD utilise un mécanisme de détection multipoint propriétaire qui aide à prévenir la fausse identification PD. La classification automatique est prise en charge et le jeu de puces est programmable par broche ou par I²C pour négocier jusqu'à 71,3 W au niveau du PD.

Le jeu de puces LTC4291-1/LTC4292 est remarquable pour son niveau d'intégration ; virtuellement, tous les circuits nécessaires pour implémenter une conception PSE conforme à la norme IEEE 802.3bt sont inclus, et seuls quelques périphériques supplémentaires sont requis. Le dispositif se divise en deux puces (processeur et alimentation) pour simplifier l'isolement PSE en permettant au LTC4291-1 de résider sur le côté non isolé. De là, il peut recevoir l'alimentation à partir de l'alimentation logique principale et se connecter directement au bus I²C/SMBus. Le jeu de puces utilise un schéma d'isolement propriétaire pour la communication entre les puces, permettant de remplacer les alimentations isolées et les photocoupleurs par des transformateurs économiques. Les transformateurs sont des unités 10BASE-T ou 10/100BASE-T avec un rapport de transformation 1:1 et des bobines d'arrêt de mode commun (Figure 3).

Figure 3 : Le contrôleur PSE PoE IEEE 802.3bt à quatre ports LTC4291-1/LTC4292 de Linear Technology implémente l'isolement propriétaire qui simplifie la conception en remplaçant les alimentations isolées et les photocoupleurs par des transformateurs économiques. (Source de l'image : Linear Technology)

Pour tirer parti de la PoE haute puissance, un PD a besoin d'une interface de type 3 ou 4, sinon le PSE fournira uniquement la puissance maximum de 15,4 W définie par IEEE 802.3af (12,95 W au niveau PD). L'une des options pour cette interface est le TPS2372-4RGWT de TI, qui offre toutes les fonctionnalités nécessaires à la mise en œuvre d'une interface PD de types 1 à 4 IEEE 802.3bt.

Une faible résistance de commutation interne permet au TPS2372-3 et au TPS2372-4 de prendre en charge les applications PoE haute puissance jusqu'à respectivement 60 W et 90 W, et sa fonction MPS automatique permet des applications nécessitant des modes de veille à très basse consommation. Notez que les exigences MPS IEEE 802.3bt pour le PD sont applicables à l'extrémité PSE du câble. Cela signifie que, selon la longueur du câble et d'autres paramètres comme la capacité totale, une durée MPS plus importante peut être requise pour la vérification. Dans cet objectif, le TPS2372 est doté de trois choix différents de durée d'impulsion MPS et de rapport cyclique, sélectionnables via la broche d'entrée MPS_DUTY.

Le TPS2372 implémente des niveaux de courant d'appel compatibles avec tous les types PSE. La puce implémente également une fonction de retard pour permettre au PSE de terminer sa phase d'appel avant de déclencher la sortie Power Good (PG), en s'assurant que les exigences de démarrage IEEE 802.3bt sont respectées. L'entrée d'activation de la classification automatique de la puce fournit l'accès à tous les modes d'optimisation de puissance avancés du système, spécifiés dans la norme IEEE 802.3bt.

Premiers pas avec la PoE haute puissance

Lors de l'utilisation d'un jeu de puces hautement intégré comme le LTC4291-1/LTC4292, une grande partie de l'épineux travail de conception a été effectuée par le fournisseur, mais il reste à choisir avec précaution certains des composants externes et à considérer les instructions de configuration de la carte à circuit imprimé. La plupart suit les instructions générales de conception pour la conception de systèmes PoE, mais avec un choix de composants appropriés pour les niveaux de tension et de courant plus élevés introduits par la PoE haute puissance.

Par exemple, une alimentation numérique et une alimentation PoE principale sont nécessaires pour les lignes V_DD et V_EE indiquées à la Figure 3. La ligne V_DD requiert 3,3 V et la ligne V_EE nécessite une tension négative comprise entre -51 V et -57 V pour les PSE de type 3, et entre -53 V et -57 V pour les PSE de type 4. Un condensateur de découplage céramique d'au moins 0,1 μF doit être placé de V_DD jusqu'à DGND, aussi près que possible de chaque LTC4291-1. Pour conserver l'isolement requis, l'AGNDP du LTC4292 et le DGND du LTC4291-1 ne doivent pas être connectés.

La ligne V_EE est l'alimentation PoE isolée principale qui fournit la puissance aux PD. Comme elle fournit une puissance relativement élevée et est soumise à d'importants transitoires de courant, elle nécessite une conception plus attentive que pour une simple alimentation logique. Pour un meilleur rendement, la ligne V_EE doit être définie sur un niveau proche de l'amplitude maximale (57 V), en laissant seulement une marge suffisante pour un dépassement ou un dépassement négatif transitoire, une dérive de température et une régulation de ligne. Un condensateur électrolytique d'au moins 47 μF est nécessaire entre AGNDP et V_EE pour minimiser les réinitialisations parasites en cas de transitoires électriques.

Le choix d'un MOSFET externe est une autre décision clé de la conception pour le développeur. Ce MOSFET constitue le dispositif de commutation de puissance qui contrôle la sortie PSE. Le choix du composant a un effet significatif sur la fiabilité du système et exige que le concepteur analyse et teste l'aire de sécurité du MOSFET dans les différentes conditions de limite de courant PSE. Linear Technology recommande le PSMN075-100MSEX de Nexperia pour les PSE configurés pour fournir jusqu'à 51 W au PD, ou le PSMN040-100MSEX pour fournir 71,3 W au PD, car ces MOSFET ont prouvé leur fiabilité dans les applications PoE.

Le jeu de puces LTC4291-1/LTC4292 est conçu pour une résistance de détection de courant de 0,15 Ω par canal. Le développeur doit ajouter deux résistances de 0,3 Ω en parallèle, positionnées comme illustré à la Figure 4. Les résistances de détection doivent avoir une tolérance de ±1 % ou plus, et un coefficient de température ne dépassant pas les ±200 parties par million (ppm)/°centigrade (C), afin de respecter la spécification PoE haute puissance.

Figure 4 : Le schéma illustre la configuration requise pour les blocs de résistances de détection des couches supérieures et inférieures pour le LTC4292. Le choix de la résistance de détection (RSTx) et son placement sont essentiels pour respecter la spécification PoE haute puissance. (Source de l'image : Linear Technology)

Chaque port requiert un condensateur de 0,22 μF à travers OUTnA et OUTnB vers AGNDP (voir la Figure 3) pour maintenir le LTC4292 stable pendant la limite de courant durant le démarrage ou la surcharge. Les condensateurs céramique X7R répertoriés pour au moins 100 V sont recommandés et doivent être placés près du LTC4292.

Les ports Ethernet peuvent être soumis à d'importants transitoires électriques. Une protection globale contre la surtension pour les systèmes PoE est un sujet complexe qui nécessite à lui seul un article, mais les exigences minimales réclament un suppresseur de tension de volume, comme une diode TVS (suppresseur de tension transitoire) (TVS_BULK) et une capacité totale (C_BULK) pour supprimer le courant et les tensions de pointe et conserver des niveaux de sécurité pour chaque port (Figure 5). Une résistance (R1) de 10 Ω en série est également nécessaire depuis l'alimentation AGND vers la broche AGNDP du LTC4292. La broche AGNDP et la broche V_EE du LTC4292 doivent être traversées par une diode TVS (D1) de 58 V, et un condensateur de découplage (C1) de 100 V et 1 μF doit être placé près des broches du LTC4292. Enfin, chaque port nécessite une paire de diodes de fixation de niveau S1B : l'une à partir d'OUTnM pour alimenter AGND et l'autre à partir d'OUTnM pour alimenter V_EE. Celles-ci dirigent les transitoires électriques vers les rails d'alimentation où ils sont absorbés par les limiteurs de surtension.

Figure 5 : Les contrôleurs PSE requièrent une protection contre les transitoires électriques. La figure illustre le LTC4292 de Linear Technology avec les suppresseurs de tension/courant et les composants requis pour éloigner les transitoires des puces sensibles. (Source de l'image : Linear Technology)

Sur l'interface PD, le haut niveau d'intégration des puces comme le TPS2327 de TI, facilite, une fois de plus, la vie des développeurs, mais certains composants externes sont également requis (Figure 6).

Par exemple, des diodes sont requises à l'entrée du câble de l'interface PD. Pour le TPS2327, TI recommande des diodes Schottky en pont ou discrètes répertoriées à 100 V, 3 A à 5 A, plutôt que des diodes conventionnelles dans les applications PoE haute puissance, car la dissipation de puissance dans les diodes est 30 % inférieure. Le développeur doit prendre en compte le fait que les diodes Schottky ont souvent un courant de fuite inverse supérieur à celui des diodes normales à jonction PN, ce qui rend la tension arrière maximum de 2,8 V définie par la spécification difficile à atteindre. Pour compenser, des limites conservatrices de température de fonctionnement des diodes et des dispositifs à faible fuite doivent être utilisés pour cette implémentation. Les diodes Schottky sont plus sensibles aux transitoires électriques que les diodes conventionnelles, c'est pourquoi il est conseillé d'utiliser une protection de tension/courant sous forme de perles de ferrite et de condensateurs.

La spécification IEEE 802.3bt inclut un condensateur de découplage de 0,05 μF à 0,12 μF (généralement un condensateur céramique de 0,1 μF et 100 V, ±10 %) de VDD à VSS. La spécification exige aussi une résistance de détection, R_DEN, des résistances de classification R_CLSA et R_CLSB, et une résistance MPS R_MPS. Une résistance de 24,9 kΩ, ±1 % est recommandée pour R_DEN. Les résistances de classification sont connectées de CLSA et CLSB à VSS pour programmer le courant de classification, conformément à la norme IEEE 802.3bt. La valeur de ces résistances et de la puissance de la classe assignée est déterminée par la puissance moyenne maximum consommée par le PD durant le fonctionnement. R_MPS définit le rapport cyclique MPS ; par exemple, une résistance de 1,3 kΩ définit le rapport cyclique à 26,4 %. Court-circuiter MPS_DUTY sur RSS définit le rapport cyclique à 12,5 %.

L'interface PD PoE haute puissance exige également une diode TVS et une suppression de la tension du condensateur (D1, C_BULK) dans les lignes d'alimentation pour absorber les transitoires électriques à cette extrémité du câble.

Figure 6 : Le schéma d'application pour l'interface PD PoE haute puissance TPS2372 de TI illustre les composants périphériques requis pour compléter la conception ; il s'agit essentiellement de diodes d'entrée, de dispositifs de suppression et de résistances de détection, de classification et MPS. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il existe de nombreuses instructions de conception pour garantir que la configuration du circuit imprimé, le positionnement des composants et les exigences de routage respectent les exigences de la spécification IEEE 802.3bt en termes de précision des mesures paramétriques, de robustesse du système et de dissipation thermique. Linear Technology et TI offrent tous deux des conceptions de référence pour leurs interfaces PSE/PD, qui respectent les spécifications et constituent un guide utile pour le développeur.

Conclusion

La PoE haute puissance élargit les applications de la PoE et améliore le rendement. Cependant, elle a rendu l'implémentation plus complexe à cause de l'introduction de nouveaux types et classes d'interfaces PD et de contrôleurs PSE, ainsi que de nouvelles fonctionnalités de fonctionnement et de sécurité.

Le concepteur peut trouver de l'aide dans les solutions de contrôleurs PSE et d'interfaces PD intégrées, qui incluent ces fonctionnalités en standard. Ces solutions simplifient et accélèrent grandement le processus de conception en réduisant le nombre de composants périphériques requis pour terminer un système.