Controller für Power Over Ethernet (PoE) Schaltungsentwurf

Erstellt: Juni 4, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Befolgen Sie die 802.3af/at/bt-Standards für das Design von Power-over-Ethernet (PoE)-Schaltungen.

Immer wenn Sie eine große Anzahl von Netzadaptern auf kleinem Raum haben, stoßen Sie auf das allzu bekannte Problem von überschüssiger Wärme und sperrigen Transformatoren, die aus einer Wand oder einer Steckerleiste herausragen. In einem Rechenzentrum, industriellen oder Büroumfeld ist Power over Ethernet (PoE) eine Möglichkeit, Strom von einem Hub, Switch oder einem anderen Controller zu mehreren nachgeschalteten Geräten zu liefern. Beispielanwendungen umfassen Sicherheitssysteme, Netzwerkausrüstung, drahtlose Zugangspunkte, Kioske und vieles mehr.

Jedes PoE-Schaltungsdesign, egal ob Stromlieferant oder Stromempfänger, benötigt einen Controller-IC, um Strom an nachgeschaltete Geräte zu liefern. Diese Controller folgen spezifischen Standards, die die Stromabgabe und die zulässigen Stromeingänge an jedem Ende einer Verbindung regeln. Die am nachgeschalteten Ende einer Verbindung gelieferte Leistung kann dann mit einem isolierten oder nicht isolierten Netzteil geregelt werden, abhängig von der Menge der gelieferten Leistung.

PoE-Schaltungsdesign und Standards

PoE-Systeme haben eine einfache Topologie, die das Design der Verbindung und die Stromlieferung regelt. Das Power Supply Equipment (PSE) Ende der Verbindung liefert Strom an ein Power Device (PD), oft über mehrere Ports. Der Strom wird über ein Ethernet-Kabel von 44 und 57 V (48 V nominal) geliefert. Diese relativ hohe Spannung ermöglicht eine effiziente Stromübertragung, ohne ein übermäßiges Sicherheitsrisiko zu schaffen.

Die IEEE 802.3-Arbeitsgruppe ist für alle Ethernet-Standards zuständig und überwacht die Entwicklung von PoE. Die untenstehende Tabelle listet die Haupt-PoE-Spezifikationen für verschiedene Controller und Geräte auf. Diese Standards regeln die PSE- und PD-Enden einer PoE-Verbindung und bilden den Ausgangspunkt für jeden Controller, den Sie für ein PoE-System auswählen müssen. Diese Spezifikationen gelten für die über Cat5e-Kabel bis zu 100 m bereitgestellte Leistung.

Die Verantwortung dieser Controller besteht darin, miteinander zu verhandeln, damit das PSE-Ende bestimmen kann, wie viel Leistung (Strom) an das PD-Ende der PoE-Verbindung geliefert werden soll. Sobald die Leistung auf dem gewünschten Niveau geliefert wird, kann am PD-Ende der Verbindung ein Standard-DC-DC-Wandler verwendet werden, um die Spannung auf ein niedrigeres Niveau zu reduzieren und Strom an Endgeräte zu liefern. Der Wandler am Ausgang des PD-Controllers kann isoliert oder nicht isoliert sein, abhängig von der Menge des durch die PoE-Verbindung gezogenen Stroms.

Auswahl von Stromversorgungs- und Power-Device-Controllern

Der Stromversorgungs- und Power-Device-Controller sind das Herzstück Ihres PoE-Schaltungsdesigns und sollten passend zu den Leistungsanforderungen pro Port für Ihre ideale Umgebung gewählt werden. Controller, die nach einem der oben genannten Standards konzipiert sind, haben Strom- und Spannungsbewertungen, die Zuverlässigkeit innerhalb der erforderlichen Leistungsgrenzen gewährleisten, aber es gibt auch andere Standards zu berücksichtigen, wie integrierte Leistungs- oder Thermalschutzschaltungen, Anzahl der Ausgänge (für PSE-Controller) und Programmierbarkeit.

Maxim Integrated, MAX5969A/B

Der MAX5969A/B von Maxim Integrated ist ein Powered-Device-Schnittstellencontroller, der den IEEE 802.3af/at-Standards für PoE-Schaltungsentwurf (Klassifizierung 0 bis 5) entspricht. Für die Energieübertragung kann der MAX5969A/B 100 V am Eingang aushalten und begrenzt den Einschaltstrom auf unter 180mA, bevor er auf sein höheres Stromlimit zwischen (720 und 880 mA) umschaltet. Das Gerät verfügt über integrierte Power-MOSFETs und eine Eingangs-UVLO mit breiter Hysterese, um jegliche Stromschwankungen beim Umschalten der Zustände zu verhindern. Der bewertete Temperaturbereich erstreckt sich bis zu 85 °C.

MAX5969A/B Power-over-Ethernet-Anwendungsschaltung. Aus dem MAX5969A/B-Datenblatt.

ON Semiconductor, NCP1096

Der NCP1096 Power-Device-Schnittstellencontroller von ON Semiconductor entspricht der IEEE 802.3af/at/bt-Spezifikation und unterstützt proprietäre Anwendungen mit mehr als 100 W. Die bewertete Sperrschichttemperatur erstreckt sich bis zu 125 °C, was diese Komponente ideal für raue Umgebungen macht, die PoE erfordern. Weitere integrierte Funktionen umfassen Überstromschutz und Überhitzungsschutz. Die vom NCP1096 während der Geräteklassifizierung angeforderte Klasse kann über die an die CLA- und CLB-Pins angeschlossenen Widerstände eingestellt werden. Ein Beispiel wird im untenstehenden Anwendungsschaltbild gezeigt.

Anwendungsschaltbild für den NCP1096 Power-Device-Schnittstellencontroller. Aus dem NCP1096-Datenblatt.

Analog Devices, LTC4266A/C

Auf der Quellseite eines PoE-Systems bietet der LTC4266A/C Power-Sourcing-Equipment-(PSE)-Controller von Analog Devices Energie für bis zu 4 Geräte; diese Komponente ist in verschiedenen Ausführungen basierend auf dem Leistungsniveau (13, 38,7, 57,2, 70 und 90 W) erhältlich. Die Varianten dieser Komponente sind ideal für die Stromversorgung einer Reihe von Geräten mit geringerem Energiebedarf. Analog Devices hat weitere PSE-Controller, die mit bis zu Typ-4-PDs kompatibel sind.

Beispielanwendungsschaltung mit den LTC4266 und LTC4265 PoE-Schaltungsentwurf-Komponenten. Aus dem LTC4266-Datenblatt.

Weitere Komponenten für PoE-Schaltungsentwurf

Die oben gezeigten Beispielkomponenten adressieren die wichtigen Controller-Schnittstellen, die auf beiden Seiten eines PoE-Links erforderlich sind. Es werden jedoch weitere Komponenten benötigt, um die Stromversorgung zum PD-Ende des Links bereitzustellen. Wenn Sie beispielsweise ein RJ45 ohne integrierte Magnete verwenden, benötigen Sie gemeinsame Modusdrosseln und andere passive Bauelemente, um diskrete Magnete und Bob-Smith-Terminierung bereitzustellen. Eine weitere häufige Schutzkomponente am Eingang der PD-Seite ist eine TVS-Diode. Beides sind Beispiele für Komponenten, die für Hochleistungs-Industrieanwendungen benötigt werden. Zusätzlich zu diesen Komponenten benötigen PoE-Systeme eine Reihe von passiven Bauelementen und anderen Energiemanagementkomponenten, um regulierte Energie an nachgeschaltete Komponenten zu liefern. Hier sind einige der anderen Komponenten, die Sie für das PoE-Schaltungsdesign benötigen:

Wenn Sie Komponenten für das PoE-Schaltungsdesign auswählen müssen, finden Sie alle Teile, die Sie benötigen, mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart verwenden, haben Sie Zugang zu einem kompletten Satz von Distributordaten und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen für Energiemanagement, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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