Power-over-Ethernet (PoE) - La nouvelle norme IEEE 802.3bt dynamise les technologies des applications IoT

De nombreux articles et blogs ont été écrits sur la technologie Power-over-Ethernet (PoE) et son concept, par exemple l'article « An Introduction to Power-over-Ethernet » de Digi-Key.

Cet article analyse et souligne les nouvelles fonctionnalités introduites par la dernière norme IEEE 802.3bt dans le monde IoT (Internet des objets) actuel où tout (« les objets ») est connecté, contrôlé et surveillé via Internet.

Améliorations de la norme IEEE 802.3bt

La première et la plus importante amélioration de la norme 802.3bt est la capacité à transférer beaucoup plus de puissance aux dispositifs périphériques (périphériques alimentés ou PD) - 71,3 W, tout en envoyant 90 W depuis l'équipement émetteur d'alimentation (PSE).

Deuxièmement, la norme prend en charge un taux de transfert des périphériques réseau atteignant 10 Gb/s sur un câble Cat5e.

Ces deux améliorations relatives à la distribution de puissance et à la vitesse des signaux permettent à d'innombrables nouveaux dispositifs IoT et plus particulièrement IIoT (Internet industriel des objets) gourmands en énergie et haute vitesse d'être alimentés par la technologie PoE. Voici quelques exemples de ces nouvelles applications :

• Audio professionnelle
• Signalisation numérique
• Unités radio à petites cellules 5G (infrastructure mobile : technologies 3G, 4G, 5G)
• Points d'accès sans fil (WAP) 802.11ac
• Réseaux locaux sans fil (WLAN) haute débit
• Contrôle d'accès industriel
• Éclairage
• Maison intelligente
• Immotique/automatisation industrielle
• Terminaux de points de vente (POS)
• Kiosques d'informations
• Caméras IP extérieures avec chauffage
• Moniteurs/ordinateurs portables
• Éclairage général numérique

Nouvelles fonctionnalités de la norme IEEE 802.3bt

La nouvelle norme PoE IEEE 802.3bt définit plusieurs nouvelles caractéristiques et améliorations par rapport à l'ancienne norme 802.3at qui se traduisent par des économies d'énergie et un rendement accru, ce qui permet ainsi à un plus grand nombre de périphériques d'utiliser la technologie PoE.

En principe, une plateforme IoT se compose de quatre blocs fonctionnels :

• Détection/surveillance
• Traitement (microcontrôleur)
• Connectivité (sans fil ou filaire)
• Gestion de l'alimentation

Les nouvelles fonctionnalités/améliorations de la norme IEEE 802.3bt sont bénéfiques pour le bloc de gestion de l'alimentation de l'IoT mentionné ci-dessus. Quatre de ces nouvelles fonctionnalités/améliorations incluent le maintien automatique de signature de puissance (MPS) court, l'Autoclass, la signature unique/double du périphérique alimenté et la puissance étendue au périphérique alimenté, qui sont examinées plus en détail dans les sections ci-dessous.

Maintien automatique de signature de puissance (MPS) court – Le MPS est la consommation d'énergie minimum absorbée par un périphérique alimenté pour le maintenir activé et connecté à l'équipement PSE. L'équipement PSE est tenu de couper l'alimentation lorsque le MPS est absent pendant au moins 400 ms, garantissant que les câbles déconnectés ne restent pas alimentés.

En outre, presque tous les périphériques alimentés des applications IoT ont des modes veille ou basse consommation. Ces périphériques alimentés doivent absorber un courant plus élevé afin de rester alimentés, abusant de l'idée d'avoir un mode veille basse consommation. Le MPS court résout ce problème en réduisant le rapport cyclique et la durée pendant laquelle une signature de puissance doit être générée pour maintenir l'alimentation. Cette modification améliore la puissance en veille minimum d'un facteur 10, ce qui permet aux périphériques IoT d'être alimentés par PoE et d'avoir une puissance en veille acceptable.

Dans les applications IoT où un grand nombre de dispositifs utilisent PoE, comme l'éclairage LED par exemple, il est crucial de réduire la puissance en veille.

Autoclass – L'Autoclass permet de mieux optimiser l'allocation du budget d'alimentation de l'équipement PSE vers le périphérique alimenté. En substance, l'équipement PSE « mesure » les pertes du câble Ethernet et la consommation électrique du périphérique alimenté connecté pendant une période définie, et « sait » fournir une puissance « réelle » à ce périphérique alimenté plutôt qu'une puissance « assignée » plus élevée définie par la classe de périphériques alimentés. Cela permet à ce même équipement PSE d'alimenter plus de périphériques alimentés, et donc plus de dispositifs périphériques IoT.

Signature unique/double du périphérique alimenté – La norme IEEE 802.3bt prend en charge deux constructions de périphériques alimentés : périphérique alimenté à signature unique et périphérique alimenté à double signature. L'équipement PSE doit prendre en charge les périphériques alimentés à signature unique et à double signature.

Les dispositifs à double signature permettent des applications qui exigent jusqu'au même niveau de puissance maximum que les dispositifs à signature unique et offrent la flexibilité supplémentaire de configurations de charge différentes et isolées. Par exemple, une caméra de surveillance extérieure doit être alimentée, avec un chauffage ou un ventilateur pour contrôler les conditions de température extrêmes. Autre exemple : des applications IIoT avec des circuits redondants utilisés à des fins de fiabilité et de sécurité doivent être alimentées alternativement, mais pas simultanément.

La Figure 1 montre les concepts de signature unique/double.

Figure 1 : Concepts de signature unique/double. (Source de l'image : Microchip)

Des informations techniques supplémentaires sur les périphériques alimentés à double signature IEEE 802.3bt sont disponibles sur le site web de l'Ethernet Alliance (EA).

Puissance étendue au périphérique alimenté – La norme IEEE 802.3bt définit une puissance maximum de 90 W qu'un dispositif PSE peut envoyer et de 71,3 W qu'un périphérique alimenté peut recevoir. Cette baisse de puissance de l'équipement PSE vers le périphérique alimenté tient compte de la perte maximum de 19 W sur toute la longueur de câble des 100 mètres maximum définis par la norme Ethernet. Avec la nouvelle norme IEEE 802.3bt, le périphérique alimenté peut mesurer la résistance du câble, calculer la puissance qui sera perdue dans le câble, et fournir une puissance suffisamment élevée pour compenser la puissance maximum de 19 W « perdue » dissipée par le câble de 100 mètres. Si la distance entre le périphérique alimenté et l'équipement PSE est inférieure à 100 mètres, le périphérique alimenté peut recevoir plus de 71,3 W. Par exemple, si la longueur du câble est comprise entre 2 et 5 mètres, la puissance que le périphérique alimenté peut recevoir de l'équipement PSE peut être proche des 90 W envoyés par l'équipement PSE.

Améliorations du rendement énergétique IEEE 802.3bt

Même si cela n'est pas explicitement défini par la norme 802.3bt, mais proche de sa ratification et dans l'esprit du rendement de gestion de l'alimentation et des exigences de l'application IoT, plusieurs grands fournisseurs de circuits intégrés PoE ont amélioré la conception de leurs puces pour répondre au rendement énergétique.

Figure 2 : Topologie des blocs PoE. (Source de l'image : Microchip)

Avant d'étudier la Figure 2, il convient de définir les fonctionnalités de l'équipement PSE et du périphérique alimenté.

Pour l'équipement PSE, les exigences de fonctionnalités peuvent être brièvement résumées comme suit :

• Détecter un périphérique alimenté valide
• Classifier les capacités de puissance du périphérique alimenté
• Fournir une puissance de 4 W à 90 W, de 44 V à 57 V au périphérique alimenté
• Effectuer l'optimisation et l'allocation de l'énergie
• Effectuer un contrôle des défaillances et une déconnexion si nécessaire
• Couper l'alimentation du port approprié si une condition de sous-courant est détectée
• Fournir une protection contre les surtensions
• Assurer l'isolement des circuits de commutation

De la même façon, voici un résumé des exigences de fonctionnalités d'un périphérique alimenté :

• Fournir une protection de polarité
• Fournir des signatures pour la détection et la classification correcte
• Optimiser la consommation d'énergie
• Fournir un isolement
• Prévoir une polarisation optionnelle pour le démarrage CC/CC
• Convertir 57 V à la tension d'alimentation régulée requise utilisée par l'application

Comme le montre la Figure 2, l'alimentation de l'équipement PSE est envoyée au périphérique alimenté via le câble Ethernet. La puce de pont de diode des périphériques alimentés redresse ensuite la tension du câble. Dans les systèmes PoE à 2 paires, la tension peut être fournie soit par les paires de données, soit par les paires de réserve, mais pas par les deux. Dans les systèmes PoE à 4 paires définis par la norme IEEE 802.3bt, toutes les paires sont alimentées.

Par conséquent, deux ponts sont nécessaires dans le périphérique alimenté (Figure 3).

Figure 3 : Deux ponts dans un périphérique alimenté. (Source de l'image : Analog Devices/Linear Tech)

La solution de pont de diode classique présente plusieurs inconvénients :

• Perte de puissance élevée causée par la chute de tension du câble
• Haute dissipation thermique
• Considérations supplémentaires requises en matière de conception thermique

En raison des inconvénients mentionnés ci-dessus, l'utilisation de ponts de diodes traditionnels dans de nombreuses applications IoT est très problématique, voire impossible.

Une solution plus efficace que le pont de diode est le pont IdealBridge^™, initialement lancé par Microsemi (maintenant Microchip). Cette solution est un pont basé sur une MOSFET à canal N avec un contrôleur.

Les différences entre un double pont de diode conventionnel et un seul IdealBridge sont illustrées à la Figure 4.

Figure 4 : Double pont de diode conventionnel par rapport à un seul IdealBridge™. (Source de l'image : Microchip)

Les avantages d'IdealBridge incluent :

• La solution entièrement intégrée permet de réduire la nomenclature, d'économiser de l'espace sur la carte à circuit imprimé et de simplifier la mise en œuvre
• Circuits à commande automatique pour MOSFET
• Faible résistance R_DS(ON), basse consommation énergétique
• Optimisation du rendement énergétique, pour une tension et une puissance de sortie plus élevées
• Réduction significative de la dissipation de chaleur, éliminant les problèmes de conception thermique et le recours à un dissipateur thermique
• Fonctionnement avec les applications PoE à 2 paires et 4 paires
• Compatibilité avec les normes IEEE 802.3xx

Microsemi/Microchip ont introduit la première solution IdealBridge™ avec le PD70224. Des solutions similaires d'autres fournisseurs incluent le LT4321 d'Analog Devices/Linear Tech, la diode idéale (pas un pont) à 1 canal FDMQ8205A d'ON Semiconductor, et la solution intégrée (IdealBridge intégré dans une puce de circuit intégré de périphérique alimenté) PM8805 de STMicroelectronics.

Conclusion

La dernière norme IEEE 802.3bt ajoute de nouvelles fonctionnalités à la technologie PoE et améliore les fonctionnalités existantes. Ces caractéristiques étendent la gamme de périphériques pouvant être connectés à l'aide du concept PoE, prenant ainsi en charge de nombreuses nouvelles applications IoT.

Pour prendre en charge les infrastructures non-PoE, il existe diverses solutions intermédiaires comme les injecteurs/midspans et les répartiteurs de puissance. Toutefois, il est important de noter que la norme IEEE 802.3bt est plutôt récente et que de nombreux fournisseurs ont proposé des produits dans ce domaine avant sa ratification fin 2018. Afin de tirer parti des avantages des nouvelles fonctionnalités de la norme IEEE 802.3bt et de maintenir l'interopérabilité entre les fournisseurs, les composants et les produits doivent être qualifiés pour cette norme IEEE 802.3bt, ce qui doit être explicitement indiqué dans les fiches techniques.