Power over Ethernet – wenn der Strom aus dem Netzwerk kommt

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Silicon Laboratories Inc.

Immer mehr Geräte benötigen sowohl Daten als auch Strom. Power over Ethernet (PoE) kann beides, denn es überträgt nicht nur Daten, sondern liefert auch den benötigten Strom über Standard-Ethernet-Kabel. Um diese Möglichkeiten zu nutzen, machen es die Anbieter von PoE-ICs einfacher denn je, die IEEE-Standards einzuhalten, die PoE-Spannung effizient zu senken und die EMV zu verbessern.

Das Internet der Dinge (IoT) erweitert die kommerziellen Systeme in Büros, Einkaufszentren und Lagerstätten um immer mehr intelligente Funktionen. Smarte Büros sind moderne Wunderwerke, die den Energieverbrauch reduzieren und gleichzeitig den Arbeitsbereich verbessern. Einkaufszentren und Stadien nutzen Funkanbindung, um Kunden besser zu bedienen und die Belegung zu verfolgen. Sensoren und HF-Tags revolutionieren die Nachverfolgung von Beständen (Asset Tracking). Alle diese Systeme benötigen sowohl Strom als auch Daten. Bei einigen Systemen können Batterien jahrelang halten, aber bei Anwendungen, die mehr Strom verbrauchen, z.B. bei einem Access Point, sorgen Batterien schnell für Einschränkungen.

Power over Ethernet löst dieses Problem, indem sowohl Strom als auch Daten über ein einziges Kabel bereitgestellt werden. Da die Ethernet-Verkabelung in kommerziellen Umgebungen weit verbreitet ist, lässt sich PoE problemlos über vorhandene Kabel bereitstellen. Die meisten Ethernet-Switches bieten die Option, PoE einzubinden, und immer mehr Installationen enthalten standardmäßig PoE. Die jüngsten Fortschritte bei PoE-ICs lösen die Herausforderungen hinsichtlich der IEEE-Konformität, des DC/DC-Wandlers und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) für Endsysteme und machen PoE zu einer einfachen Ergänzung eines IoT-Systems.

Anfangs versorgte Power over Ethernet IP-Telefone mit Strom

Entwickelt wurde PoE vor mehr als einem Jahrzehnt, um IP-Telefone mit Strom zu versorgen und deren Akzeptanz zu fördern. Der Erfolg von PoE basiert darauf, eine transparente Ergänzung zum Ethernet zu sein. Die Technik arbeitet mit Standard-Cat5/6-Ethernet-Kabeln und -Längen und benötigt keine speziellen Genehmigungen oder Inspektionen. Ein PoE-Ethernet-Port funktioniert mit PoE- und nicht PoE-fähigen Geräten.

Ursprünglich musste die Stromversorgung (PSE; Power Sourcing Equipment), die das Ethernet-Kabel mit Strom versorgt, vom gleichen Anbieter stammen, der auch das mit Strom versorgte Gerät (PD; Power Device) bereitstellt, das den Strom aus dem Kabel bezieht. Um Interoperabilität und Sicherheit zu gewährleisten, hat die IEEE im Jahr 2003 den PoE-Standard 802.3af veröffentlicht. Dieser erste Standard ermöglichte dem PSE, bis zu 15 W Leistung in das Ethernet-Kabel einzuspeisen. Das PD konnte dann – unter Berücksichtigung der Verluste bei einer maximalen Kabellänge von 100 m – Daten und bis zu 13 W Leistung empfangen. 802.3af PoE definierte eine Standard-Erkennungssignatur für das PD und einen analogen Handshake zwischen PSE und PD, um die Stromversorgung auszuhandeln.

Die übertragbare Leistung nahm weiter zu

Im Jahr 2009 veröffentlichte das IEEE-Konsortium den 802.3at-Standard, der die maximale Leistung auf 30 W für die Einspeisung und auf 25 W für die Entnahme erhöhte. Im Herbst 2018 veröffentlichte das IEEE den Standard 802.3bt, der vier neue Leistungsstufen bis zu 90 W (vom PSE) und 71 W (für das PD) einführte. Diese IEEE-PoE-Standards (Tabelle) sind vollständig abwärtskompatibel und stehen über ein Standard-Cat5/6-Ethernet-Kabel (100 m) zur Verfügung. Ältere IP-Telefone, die dem allerersten IEEE-PoE-Standard 802.3af entsprechen, können somit weiterhin mit dem neuesten Ethernet-Switch (802.3bt) betrieben werden. Ein PoE-Switch aus der Vergangenheit versorgt neueste 802.3bt Wireless Access Points ebenfalls mit Strom – allerdings mit einer geringeren Leistung. Auch wenn sich der PoE-Standard weiter verbessert, bleibt das Grundprinzip der transparenten Stromzufuhr über Ethernet-Kabel unverändert.

In den PoE-Standards der IEEE bleiben die grundlegenden Funktionsprinzipien von PoE unverändert. PoE speist zwischen 48 und 57 V Gleichtaktstrom in die verdrillten Aderpaare eines Ethernet-Kabels, indem die Ethernet-Transformatoren mit Mittelabgriffen versehen werden. Die Spanne von 48 bis 57 V reduziert den Strom durch das Ethernet-Kabel und hält die Spannung niedrig genug, um den Installationscodes für die Ethernet-Verkabelung zu entsprechen. Bei Systemen mit 30 W und weniger, die den Standards 802.3af und 802.3at entsprechen, versorgt das PSE nur zwei der vier verdrillten Paare, wobei ein Paar positiv und ein Paar negativ ist. Der neue Standard 802.3bt verwendet alle vier verdrillten Paare, um die Energieversorgung effizienter zu gestalten und die Gesamtleistung zu erhöhen (Bild 1).

Alle IEEE-konformen PDs werden unabhängig von der Leistungsstufe über eine Eingangsbrücke über alle vier verdrillten Paare mit Strom versorgt, da nach dem ursprünglichen IEEE-802.3af-Standard zwei der vier Paare mit beliebiger Polarität versorgt werden konnten. Um sicherzustellen, dass nur PoE-fähige Geräte mit Strom versorgt werden, liefert das PSE nur dann Strom, wenn es eine gültige Signatur vom PD erkennt. Sobald das PSE ein gültiges PD erkennt, startet es den Klassifizierungsprozess, um die vom PD angeforderte Leistung zu ermitteln und dem PD mitzuteilen, wie viel Leistung gewährt wird. Die Klassifizierung der physikalischen Schicht ist ein rein analoger Prozess und erfolgt völlig unabhängig vom Datenpfad.

PSE und PD einigen sich auf den Datenpfad zur Stromzufuhr

Nachdem die Klassifizierung abgeschlossen ist, fährt das PSE mit der Stromversorgung des PD fort. Mit den Standards 802.3at und -bt wurde das Konzept eingeführt, nach dem Einschalten des PD über den Datenpfad die Stromzufuhr auszuhandeln. Diese Technik wird als LLDP (Link Layer Discovery Protocol) bezeichnet. Die PoE-Standards unterteilen die Leistung in verschiedene Ebenen (Klassen). Jede Klasse hat eine maximale Leistung, die vom PSE in das Kabel gespeist wird, und eine maximale Leistung, die an das PD abgegeben wird.

Zusätzlich ordnet das PSE dem PD eine Klasse zu, die niedriger sein kann als die vom PD angeforderte Klasse. Bezieht das PD mehr Strom als die zugewiesene Klasse, wird es vom PSE getrennt. Wichtig ist, dass der Systemcontroller in jedem PoE-PD-Design die zugewiesene Klasse überprüft und die Leistungsaufnahme des PD-Systems entsprechend anpasst. Mit dieser einfachen Überprüfung kann das PD-System unter allen Bedingungen einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten.

Das mit Strom zu versorgende Gerät muss sich identifizieren

Moderne Power-over-Ethernet-ICs und Entwicklungstools vereinfachen eine weitere wichtige Anforderung von PoE-Anwendungen: den DC/DC-Wandler. Während die bei PoE verwendeten 50 V den Strom im Ethernet-Kabel verringern, arbeiten die meisten PDs, die über PoE mit Strom versorgt werden, mit einer viel niedrigeren Spannung, z.B. 5 oder 3,3 V. Dies stellt Entwickler vor die Aufgabe, eine DC/DC-Leistungswandlerstufe zu integrieren. Heute enthalten die meisten PoE-PD-ICs einen hocheffizienten DC/DC-Controller und bieten Entwicklungsboards für viele gängige PoE-PD-DC/DC-Wandler (Bild 2). Mit dieser Single-Chip-Lösung können sich Entwickler auf die drei Hauptaspekte der PoE-DC/DC-Versorgung konzentrieren: Isolation, Effizienz und elektromagnetische Störungen.

Ist für ein PoE-PD-System eine Isolierung erforderlich, beeinflusst dies den Aufbau des Netzteils. PoE arbeitet mit einer sicheren Niederspannung. Ist jedoch Metall eines Steckverbinders oder Gehäuses dem Endnutzer ausgesetzt, ist eine Isolierung erforderlich, um ihn vor versehentlichen elektrischen Stößen zu schützen. Verfügt das PD-System über einen Kommunikationsanschluss mit Masseverbindung, z.B. USB oder UART, ist ebenfalls eine Isolierung erforderlich. Dies sind allgemeine Richtlinien – ziehen Sie besser einen Sicherheitsexperten zu Rate, bevor Sie Entscheidungen zur Isolierung treffen.

Nach der Entscheidung über die Isolierung ist die nächste Überlegung die Konfiguration/Topologie der DC/DC-Stromversorgung. Die meisten nicht isolierten Designs, die 13 W oder weniger benötigen, basieren auf einer einfachen Abwärtswandler-/Buck-Topologie, die kostengünstig ist, aber nicht isoliert werden kann. Ab 13 W Leistung bietet ein Sperrwandler einen besseren Wirkungsgrad und eine mögliche Isolierung – ist jedoch komplexer als ein Abwärtswandler. Bei den neuen hohen Leistungen des 802.3bt-Standards verwenden viele Systeme einen Durchflusswandler, um einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, wenn das System mehr als 51 W Leistung benötigt.

Die EMV-Anforderungen müssen erfüllt werden

Schließlich muss die DC/DC-Versorgung strenge EMV-Anforderungen erfüllen, damit sich das Endprodukt weltweit verkaufen lässt. Dies ist einer der herausforderndsten Aspekte bei der Entwicklung des DC/DC-Netzteils und beinhaltet eine Mischung aus Anpassen des Layouts, Hinzufügen von Entstörgliedern und Anpassen der magnetischen Bauelemente. Der in vielen PoE-ICs integrierte DC/DC-Controller bietet Funktionen, um die EMV zu verbessern, z.B. PWM-Frequenzspreizung. Bei all den Auswahlmöglichkeiten, Entscheidungen und Anpassungen, die für einen DC/DC-Wandler erforderlich sind, arbeiten Neulinge am besten mit einem Referenzdesign oder einem Evaluierungsboard.

Die meisten Anbieter von PoE-ICs bieten isolierte und nicht isolierte Designs, die in einem Endsystem eingesetzt werden können. Einige stellen sogar einen EMV-Testbericht bereit (Bild 3), um zu beweisen, dass ihr PoE-IC- und Wandler-Design bei korrekter Anpassung die EMV-Anforderungen erfüllt. Der DC/DC-Wandler stellt eine zentrale Herausforderung für jedes PoE-Design dar. Die neuesten PoE-ICs, Entwicklungsboards und Support-Materialien machen diese Technik jedoch zugänglicher denn je.

Da immer mehr Geräte Strom und Daten benötigen, ist die Fähigkeit von PoE, Strom über Standard-Ethernet-Kabel zu liefern, bei Entwicklern und Endkunden äußerst beliebt. Um diese neuen Möglichkeiten zu nutzen, machen es die Anbieter von PoE-ICs einfacher denn je, die IEEE-Standards einzuhalten, die PoE-Spannung effizient zu senken und die EMV zu verbessern. Ebenso haben die Hersteller von Ethernet-Switches PoE zu einer Standardoption in vielen kommerziellen Installationen gemacht. Dies bietet Entwicklern die einmalige Gelegenheit, das Potenzial leistungsfähigerer intelligenter Internet-Anwendungen zu nutzen, indem einfach ein Ethernet-Port mit PoE hinzugefügt wird. Strom und Daten werden über ein einziges, einfach zu installierendes Kabel geliefert, ohne dass Batterien ausgetauscht oder die Signalintegrität überwacht werden muss.

Power-over-Ethernet: Wie sich Geräte im Netzwerk mit Strom versorgen lassen

* Charlie Ice ist Senior Product Manager bei Silicon Labs in Austin, Texas.

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