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Novas Oportunidades em PoE (Power-over-Ethernet) (TEL049)

Em artigo da Power Integrations (www.powerint.com) analisamos as novas possibilidades de projetos de dispositivos que enviam energia através de redes Ethernet, baseados no padrão IEEE que fixa como isso deve ser feito.(2007)

O momento é elaborar projetos que aproveitem as redes que usam cabos CAT-5 para enviar também energia para equipamentos remotos que pertençam a essa rede de dados Ethernet. Essa tecnologia emergente simplifica as instalações de dispositivos alimentados (PDs) como pontos de acesso sem fio, câmeras de segurança e telefones VoIP.

O padrão atual IEEE-802.3af para PoE permite aos projetistas alimentar até 1,295 W ao PD através de um cabo Ethernet, ao mesmo tempo seguindo os requisitos de segurança de extra baixa tensão (SELV). Sob o IEEE802.3af, os PDs são distribuídos em quatro classes diferentes, dependendo de quanta potência eles exijam para operação.

Na classe 1, os dispositivos precisam até 3,84 W. Na classe 2 temos dispositivos cujas potências consumidas estão na faixa de 3,85 a 6,49 W enquanto que a classe 3 cobre dispositivos entre 6,5 W e um máximo de 12,95 W. Os projetistas devem então incluir seus dispositivos numa dessas classes, dependendo da potência. Soluções de baixo custo podem usar uma designação geral (Classe 0) que descreve dispositivos que precisam de mais de 12,95 W.

Um PSE determina a classe de um PD fornecendo então uma rampa de tensão durante a alimentação do PD, a qual cresce de 2,5 V a 10 V. Se ele detecta a assinatura própria de impedância do PD (24,9 k ?), o PSE prossegue aumentando a tensão. Se nenhuma assinatura de impedância for detectada, o PSE não vai energizar o cabo. Na etapa de classificação, o PSE aplica entre 15 e 20 v ao PD e mede a corrente para determinar a classe específica do PD.

Durante essa fase, a parte da fonte de alimentação do PD é mantida inativa através de um circuito de chave de subtensão (ULVO) que isola a etapa de comutação até que as fases de assinatura e a classificação sejam completadas. Uma vez que a classificação seja conseguida, o PSE fornece a tensão de operação ao PD.

 

Decisões de Topologia

Para desenvolver fontes de alimentação eficiente para PDs de acordo com PoE, os projetistas precisam de CIs conversores de baixa tensão, MOSFETs de potência, proteção in-rush, ULVOs e um circuito que faça a assinatura e classificação, tudo isso operando em conjunto. Os projetistas dos equipamentos estão usando duas abordagens para atender a essas exigências.

Alguns usam um abordagem integrada que combina a proteção in-rush, um controlador DC/DC e o MOSFET de comutação, além do limitador de correntes e outros recursos de proteção. O projetista usa então circuitos discretos para adicionar funções de assinatura e classificação, o LV e a chave de passagem. Essa abordagem oferece excelente escalabilidade ao longo de todas as classes de PoE e dá ao projetista uma oportunidade máxima de encontrar ma solução para uma aplicação determinada.

A Power Integrations, por exemplo, oferece 14 CIs de conversão DC-DC com diferentes MOSFETs e opções de invólucros para se adaptar a uma grande gama de exigências de PoEs. Os projetistas, usando essa abordagem precisam somente de um pequeno número de componentes externos para o circuito assinatura (para a classe 0, apenas um resistor) e o circuito de classificação, e ULVO. No total, talvez sete componentes discretos são exigidos. Uma interface PD compliante com o IEEE8-2.3af, totalmente configurável multi-classe usando essa abordagem, é mostrada na figura 1.

 

Figura 1.  Interface PD Programável em Classe IEEE802.3at .
Figura 1. Interface PD Programável em Classe IEEE802.3at .

 

Outros fabricantes de semicondutores de potência adotam uma abordagem diferente de integração combinando o circuito de proteção in-rush e o controlador DC-DC com o ULV, chave, funções de assinatura e classificação. Tipicamente, esses circuitos não incluem o MOSFET DC-DC de comutação e o circuito de limitação de corrente.

A integração do front-end 802.3af simplifica o projeto da interface PoE (ainda simples). Essa abordagem tipicamente exige que o cliente adicione um MOSFET discreto de comutação e componentes externos de limitação de corrente.

Ao Tomar a responsabilidade dos componentes de comutação nesse sistema, o projetista deve estar familiarizado com os itens de controle e comutação de uma fonte analógica. O projetista deve também estar precavido em relação aos itens de estabilidade associados ao layout da placa e a comutação de alta freqüência. Esses itens não são triviais exigindo um bom entendimento dos circuitos de potência e exigem tempo adicional para o projeto e teste da placa.

 

a. Integrated PD and controller function.
Figura 2 a. Integrated PD and controller function.

 

b. Integrated DC converter function with discrete PD.
Figura 2 b. Integrated DC converter function with discrete PD.

 


Novo Padrão

Uma força de trabalho do IEEE está atualmente trabalhando na próxima versão do padrão. Denominada power-over-Ethernet Plus (PoEP) a IEEE902.3at o novo padrão vai estender as potências até 25 w ou mais definindo assim a Classe 4 (uma classe já descrita no IEEE802.3af mas reservada para uso futuro), para dispositivos exigindo mais de 12,95 W.

Suportando maiores níveis de potência, os especialistas da indústria estão já prevendo que esse novo padrão deve ampliar as aplicações PoE para novas áreas como WLAN, Pontos de venda, roteadores, comutadores e câmeras tilt/zoom/pan de segurança. A força de trabalho está desenvolvendo o novo padrão cuja publicação é esperada para no máximo em 2008.

O novo padrão não é completo, mas segundo os comentários. Descreve o que parece ser algumas características-chave.

Desde que o novo padrão tem compatibilidade decrescente com o 802.3af, um dos primeiros problemas que a força-tarefa encontra é como um PSE pode determinar o que ele está conectando é um PD 802.3af ou o novo 802.3at.(e como pode o PD fazer a mesma determinação sobre o PSE). Para resolver esse problema, o padrão 802.3at vai usar a mesma assinatura empregada no 802.3af para indicar um PD PoE-compatível, mas vai adicionar um segundo pulso de tensão durante a classificação para indicar que o PSE está num status compliante com a 802.3at.

Os PDs compliantes com o 802.3at vai detectar esse segundo pulso de tensão e reconhecer que eles estão conectados a um PSE compliante com a 802.3at. Eles vão então responder indicando que se trata de um dispositivo Classe 4, de modo que o PSE em que ele estã é um PD compliante com a 802.3at. como a duração do ciclo de classificação ocorre dentro dos limites de tempo do 802.3af, os PDs compliantes com o padrão existente 802.3af vão ver o segundo pulso como uma simples parte da interrupção inicial e responderão de acordo.

Uma das mais excitantes mudanças no padrão PoEP vai ser a capacidade de oferece controle da distribuição de energia em detalhes muito mais finos do que o padrão existente. Os PSEs compliantes com o padrão 802.3af identificam a classe do PD e simplesmente fornecem a potência máxima permitida de acordo com a definição da classe.

Uma vez que o sistema 802.3at é ligado, os PSEs compliantes com o padrão vão ser capazes de usar um software de nível 2 de comunicação com cada PD para determinar as necessidades de energia média e de pico.

Essa n ova capacidade vai permitir aos projetistas construir os sistemas compliantes com PoE de modo a fornecer energia e casar as capacidades de potência total do sistema de acordo com as exigências da carga de uma forma muito mais próxima. Também vai ser possível enviar energia sob picos de carga com duração maior de acordo com a demanda de corrente (motores de movimentação de câmeras, por exemplo, que exigem correntes elevadas por curtos intervalos de tampo).

Esse nível 2 de comunicações não foi ainda totalmente definido para o novo padrão.

 

Conclusão

Muitos dispositivos eletrônicos amplamente usados em nossos dias - Telefones VoIP, pontos de acesso montados em tetos e câmeras de segurança - não podem ser convenientemente colocados perto de uma tomada de força. Sua instalação e uso foi então severamente limitados (ou a instalação é mais cara) pela disponibilidade de energia da rede.

PoE oferece aos projetistas uma atraente oportunidade de contornar essas restrições. A Power Integrations fornece uma ampla gama de chaves e dispositivos mais um padrão novo da indústria que suporta o uso de níveis mais elevados de potência, essa nova tecnologia emergente que vai propulsionar uma nova geração de aplicações.

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