Poe контроллер своими руками

Вебинар поможет в выборе недорогих источников питания оптимальных для систем охраны, промышленных и телекоммуникационных приложений, а также для широкого применения. Будут представлены основные группы источников питания по конструктивным признакам и по областям применения в контексте их стоимости или их особенностей, позволяющих снизить затраты на электропитание конечного устройства.

Источник

PoE свитч для видеокамеры из обычного своими руками

Что нужно знать о PoE перед переделкой свитча

Разные бывают задачи в IT и решения приходится искать часто нестандартные… Простой пример, необходимо установить IP видеокамеру с питанием PoE на расстоянии почти 300 метров от объекта. Спецификация PoE говорит, что можно до 100м и что тут делать?
Вариантов немного, тянуть медью с двумя свитчами через 100 метров (в качестве промежуточных узлов) или пробросить оптикой (конечно если есть оптический порт на оборудовании) и после у становить коммутатор с PoE для питания видеокамеры.

Стандарты PoE

• Пассивный PoE — самый распространенный вид питания, которое передается по неиспользуемым для передачи данных проводам. Коричневый/бело-коричневый минус, синий/бело-синий плюс.
• Активный PoE — питание подается вместе с данными оранжевый/бело-оранжевый плюс, зеленый/бело-зеленый минус. Остальные провода не используются.
  
• Активный PoE+ —для питания используются все провода, что позволяет увеличить нагрузку.

Какое напряжение подается через PoE?

Питание почти всех PoE устройств (VoIP телефоны, коммутаторы, видеокамеры, Wi-Fi точки доступа и пр.) как правило, 5 или 12 вольт, но для их питания по витой паре передается 48 вольт постоянного тока, что позволяет снизить падения напряжения на большие расстояния.
На каждом устройстве получающем питание через PoE стоит преобразователь, понижающий напряжение до необходимого.
Как правило, PoE коммутатор сам определяет какое оборудование подключено и если необходимо подает питание, т.е., если подключить к PoE свитчу сетевую карту компьютера или ноутбука она не сгорит и будет нормально работать.

В последнее время получила широкое распространение витая пара из биметалла, как правило это алюминиевый провод покрытый слоем меди. Такой провод значительно дешевле полнотелого медного, но и падения напряжения на нем существенно выше, в практическом плане это значит что через 50-60 метров может потеряться линк.

Как сделать простой PoE сплитер своими руками

Самый простой инжектор питания в стандарт 802.3af (вариант PoE-B или Passive PoE) обычно делаю из настенной розетки RJ-45 и блока питания на 12-24 вольта (смотря какой есть под рукой).

Для удобства подключения можно использовать разъем питания 12В с клеммной колодкой — стоит такой рублей 30.
Если планируете пробросить PoE на значительное расстояние, придется искать источник питания на 48 вольт.

Имея под рукой патч панель и мощный источник питания на 48 вольт, можно смастерить PoE сплитер на 16 портов.

PoE свитч своими руками

Если дружите с паяльником для питания 2-3 PoE устройств можно использовать обычный недорогой старенький коммутатор который уже давно пылится в ящике стола.

Я использовал коммутатор Acorp HU5D, который давно валялся без дела. В его схеме стоит преобразователь понижающий напряжение с 15 до 3,3 вольта. Т.е., с незначительной переделкой можно использовать 4 порта для PoE.
Из схемы коммутатора Acorp необходимо удалить несколько резисторов запаянных между выводами 4,5,7,8 (на фото отмечены красным).

После чего можно навесным монтажом подвести питание на порты с второго по пятый, первый используем как аплинк. На 8/7 (коричневый/бело-коричневый) вывод минус и 4/5 (синий/бело-синий) выводы плюс.

Источник

Коктейль из электропитания и данных: Power-over-Ethernet-решения от Texas Instruments

21 октября 2013

Основная идея технологии Power-over-Ethernet заключается в передаче постоянного тока для питания конечного устройства по витой паре проводников в кабеле, использующемся для передачи данных. Причем, питающий ток может передаваться как по свободной паре проводников, так и по паре, использующейся для передачи данных [1]. Во втором случае источник питания активного устройства (Power Source Equipment — PSE), формирующий стандартное значение напряжения 48 В, подключается к средним точкам вторичных обмоток двух развязывающих трансформаторов хост-устройства. На приемной стороне, в запитываемом устройстве (Powered Device — PD), питающий ток снимается также со средних точек развязывающих трансформаторов. Такой вариант реализации позволяет не только отказаться от использования внешнего AC/DC-адаптера для конечного устройства, но и более эффективно использовать линии кабеля связи. Следует отметить, что стандарт PoE предполагает полную совместимость с уже существующими устройствами, не поддерживающими технологию PoE.

Варианты реализации сети c PoE-устройствами

Существует три возможных варианта реализации сети обмена данными с участием устройств, поддерживающих технологию Power-over-Ethernet. Структурная схема такой сети представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Три возможных варианта реализации PoE-сети

Рассмотрим основные особенности реализации каждого из вариантов.

• Вариант 1: Хост с поддержкой PoE- устройство без поддержки PoE.

При подключении любого устройства к PSE подача питающего тока производится не сразу. Сначала PSE инициирует процедуру проверки конечного устройства, состоящую из нескольких этапов [2]. Подача питающего тока в сеть происходит, если подключенное устройство относится к классу PD-устройств, то есть имеет необходимые функциональные узлы для принятия и преобразования питающей энергии. Эта проверка реализуется посредством измерения входных сопротивления и емкости конечного устройства. В случае подключения устройства без поддержки PoE питающий ток не будет подан хостом, происходит только обмен данными. В этом случае предполагается, что конечное устройство имеет собственный источник питания.

• Вариант 2: Оба устройства поддерживают PoE.

Данный вариант является самым оптимальным, так как не содержит дополнительных промежуточных устройств. В этом случае после того, как PSE определит, что к нему подключено PD-устройство, происходит классификация устройства. Во время классификации PSE определяет класс мощности PD. После классификации PSE производит подачу питающей энергии в PD и на протяжении всего срока работы контролирует ее параметры. В случае отключения PD-устройства или потребления им большей мощности, чем было установлено на этапе классификации, PSE прекращает подачу питающего тока. Данный вариант реализации сети содержит минимальное количество узлов: хост и конечное устройство, питающееся от хоста через Ethernet-кабель.

• Вариант 3: Хост без поддержки PoE- Конечное устройство с поддержкой PoE

Устройство типа PD может быть использовано не только с PSE, но и с хостом без поддержки PoE. Для этого требуется дополнительное промежуточное устройство с собственным источником питания, которое позволит обеспечить питанием PD-устройство по линиям Ethernet. В этом случае схема питания в конечном устройстве должна обеспечить соответствующую защиту от возможных перегрузок и контроль параметров поступающей энергии.

Компоненты для реализации устройств с поддержкой PoE, предлагаемые компанией Texas Instruments, по функциональному назначению делятся на две основные группы: для реализации PSE и для реализации PD. Внутри каждой функциональной группы происходит деление по уровню передаваемой и принимаемой из сети Ethernet мощности на два стандарта: StandartPower — до 15,4 Вт и Hi-Power — до 25,5 Вт.

Реализация системы питания PSE

PSE-контроллеры от Texas Instruments могут работать в одном из нескольких режимов. Это справедливо как для компонентов класса StandartPower, так и для Hi-Power.

В режиме AutoMode контроллер обнаруживает нагрузку и определяет ее тип, а затем производит подачу в порт питающего тока автономно, без использования внешнего микроконтроллера.

В режиме Semi-AutoMode работа производится аналогично автоматическому режиму. Однако в этом режиме статусные регистры и регистры АЦП доступны для считывания пользователем с помощью последовательного интерфейса I 2 C. Все регистры управления доступны пользователю для ограниченного управления портами. Наличие полуавтоматического режима позволяет пользователю частично участвовать в процессе управления питанием.

Режим PowerManagmentMode предоставляет полную свободу действий в процессе управления питанием. В этом режиме функционирование программируется и управляется через регистры чтениязаписи. Для реализации режима полного управления питанием необходим дополнительный внешний микроконтроллер. Для реализации данного режима Texas Instruments предлагает программное обеспечение для микроконтроллеров семейства MSP430.

Основные параметры PSE-контроллеров для наглядности и сравнения сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры PSE-контроллеров Texas Instruments

Standart Power

Для реализации PSE-устройств, совместимых со стандартом 802.3af, предназначены микросхемы TPS2384 и TPS23841.

TPS2384 представляет собой решение для системы управления питанием четырех портов Ethernet [3]. Типовая реализация сети PoE на базе TPS2384 совместно с TPS2375 представлена на рисунке 2. Значение питающего тока каждого из портов может достигать 570 мА в диапазоне температур -40…125°С. Каждый порт может быть запитан напряжением 21,5…57 В.

Рис. 2. Типовая реализация сети PoE на базе TPS2384 совместно с TPS2375

Интегрированный выходной каскад микросхемы TPS2384 одновременно обеспечивает передачу энергии в порт и контроль выходных напряжения и тока. Встроенная схема содержит FET-транзистор и измерительный шунт, что позволяет избежать использования дополнительных внешних элементов. В TPS3284 поддерживается AC-метод определения отключения нагрузки. Выходной каскад выдерживает переходные процессы с пиковым напряжением до 100 В. Четыре встроенных 15-разрядных АЦП используются для измерения входного сопротивления питаемого устройства, напряжения, тока и температуры кристалла, позволяя реализовать простое и надежное PSE-решение. TPS2384 поставляется со специальным программным обеспечением, которое позволяет реализовать ядро PoE-системы.

TPS2384 содержит три встроенных источника питания (10; 6,3 и 3,3 В). Данные источники используются для питания цифровой и аналоговой части микросхемы. Источник напряжением 3,3 В может быть использован для питания внешних нагрузок до 2 мА. При подаче питания на TPS2384 внутренняя схема сброса Power-on-Reset сбрасывает значение всех регистров и устанавливает значения всех портов в отключенное состояние для гарантии включения микросхемы в безопасном режиме.

TPS2384 и TPS23841 могут работать в одном из трех возможных режимов: автоматическом (AutoMode), полуавтоматическом (Semi-AutoMode) и режиме полного управления питанием (PowerManagmentMode).

Если значение входного питающего напряжения выходят за пределы диапазона 44…57 В, поддерживаемого микросхемой TPS2384, тогда для реализации PSE-устройства предлагается использовать микросхему TPS23841. Типовая реализация сети PoE на базе TPS23841 представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая реализация сети PoE на базе TPS23841 совместно с TPS2376

Данное решение имеет аналогичный TPS2384 набор функциональных возможностей с расширенным диапазоном входных напряжений и большей мощностью. Основные отличия параметров этих микросхем сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Основные отличия параметров TPS2384 и TPS23841

Hi-Power

Микросхема TPS23851 предназначена для обеспечения питанием четырех портов по стандарту 802.3at[4]. Типовая схема реализации питания одного порта на основе TPS23851 представлена на рисунке 4. Данный контроллер питания определяет наличие подключенного поддерживаемого PD-устройства, определяет требуемую PD-устройством мощность в соответствии с классификацией и обеспечивает контроль питания PD-устройства. TPS23851 работает с внешним N-канальным MOSFET-ключом. Функционал микросхемы не ограничивается стандартом 802.3at-2009 и может работать с оборудованием другого стандарта. Уровень защиты по току может быть установлен в соответствии с требованиями стандарта 802.3-2005 (802.3af) либо запрограммирован на значение до 720 мA для использования с классификационным стеком LLDP в рамках стандарта 802.3 at.

Рис. 4. Типовая схема реализации питания одного порта на основе TPS23851

TPS23851 поддерживает AC- и DC-методы определения отключения нагрузки. AC-метод реализован на основе встроенного прецизионного осциллятора с частотой 110 Гц. Данный контроллер также содержит четыре АЦП с разрешением 14 бит для постоянного мониторинга напряжения и тока каждого порта. Доступ к данным измерений для реализации режима расширенного управления питанием может быть осуществлен по шине I 2 C.

Реализация системы питания PD

Texas Instruments предлагает два типа микросхем для реализации питания на стороне конечного устройства. Первый тип микросхем представляет собой отдельный PD-контроллер. PD-контроллер выполняет все необходимые коммуникации с PSE-устройством в соответствии со стандартом, а также обеспечивает функцию горячего подключения, гарантируя безопасную передачу энергии в устройство и защищая его от бросков напряжения и тока.

Второй тип микросхем — PD-контроллер (PDC) со встроенным DC/DC-преобразователем для получения регулированных напряжения и тока для непосредственного питания узлов системы.

PD-контроллеры TPS2375, TPS2376-H, LM5073

Микросхема TPS2375 является простым 8-выводным решением, содержащим в себе весь необходимый функционал для реализации PD-устройств, соответствующих стандарту IEEE 802.3af[5]. Типовая схема применения TPS2375 приведена на рисунке 5. Это второе поколение PD-контроллеров содержит вывод PowerGood (открытый исток полевого транзистора) и поддерживает защиту от переходных процессов напряжением до 100 В. В дополнение к стандартным функциям обнаружения и классификации нагрузки, блокировки пониженного напряжения, данный контроллер содержит функцию настраиваемого порога ограничения пускового тока.

Рис. 5. Типовая схема применения TPS2375

TPS2376-H используется для реализации PD-устройств, соответствующих стандарту IEEE 802.3af [6]. Данная микросхема обладает самым высоким токовым порогом и максимальной теплорассеивающей способностью среди всех представителей семейства TPS237x. Типовая схема применения TPS2376-H приведена на рисунке 6. На базе данной микросхемы может быть реализовано нестандартное PoE-совместимое устройство, мощность потребления которого может быть больше указанной в стандарте. PD-устройство мощностью 26Вт может быть реализовано при условии работы от PSE-устройства напряжением 52В с использованием не более 100м кабеля витой пары категории CAT-5. ВTPS2376-H встроена защита от перенапряжений до 100В, настраиваемый уровень токоограничения, защита от ошибок с автоматическим переподключением и сигнал PowerGood (открытый исток полевого транзистора).

Рис. 6. Типовая схема применения TPS2376-H

Минимальное значение порога ограничения тока TPS2376-H составляет 625мA, что находится выше минимального выходного тока TPS23841 600мА. Это позволяет PD-устройству использовать максимальное значение доступной мощности.

LM5073 представляет собой высокопроизводительное решение, соответствующее стандарту IEEE 802.3af [7]. Отличительной особенностью является возможность дополнительного подключения в качестве источника питания нерегулируемых источников напряжения, таких как AC-адаптеры и солнечные батареи различных конфигураций. Упрощенная схема применения LM5073 приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Упрощенная схема применения LM5073

Основные параметры PD-контроллеров сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Параметры PD-контроллеров Texas Instruments

Standart Power PDC + DC/DC: TPS23750, TPS23753A, TPS23757, LM5070/1, LM5072

TPS23750 включает в себя функционал TPS2375 с дополнением ШИМ-контроллера для реализации DC/DC-преобразователя. Данная микросхема позволяет разработчику реализовать комплексный источник питания для PD-устройства с использованием минимального количества внешних компонентов [8]. Типовая схема применения TPS23750 приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Типовая схема применения TPS23750

Поддерживаются все операции, требующиеся по стандарту 802.3af: определение, классификация, блокировка пониженного напряжения и управляемое токоограничение. Блок DC/DC-контроллера поддерживает такие топологии понижающих преобразователей, как обратноходовый, прямоходовый и асинхронный с ключом нижнего плеча. Использование внешнего MOSFET-транзистора и токоизмерительного резистора дают разработчику свободу действий в выборе топологии печатной платы, уровня мощности источника и порога токоограничения. DC/DC-контроллер поддерживает программируемую функцию плавного запуска, программируемую частоту переключения, установку максимальной скважности управляющего сигнала 50%, усилитель ошибки с выходом по напряжению.

TPS23753A представляет комбинированное решение для цепи питания PD-устройства, которое реализует PoE-интерфейс и содержит встроенный DC/DC-контроллер с токовым режимом работы. Базовая схема применения TPS23753A приведена на рисунке 9. Микросхема TPS23753A оптимизирована для применения в изолированных приложениях и поддерживает функцию переключения между несколькими входными источниками напряжения [9]. Используемый внешний источник может быть выбран по максимальному значению напряжения, также предпочтение может быть отдано конкретному источнику питания. Уровень потребления мощности PD-устройства, определяющийся при классификации устройства, задается одним внешним резистором.

Рис. 9. Базовая схема применения TPS23753A

В DC/DC-контроллере реализован механизм начальной загрузки с коммутацией внутреннего источника тока. Это предоставляет преимущества циклической защиты от перегрузки по току без потерь мощности на подтягивающем резисторе. Программируемый тактовый генератор может быть синхронизирован более высокой частотой внешнего тактирующего источника.

TPS23757— комбинированное решение для реализации интерфейса PoE для PD-устройства со встроенным DC/DC-контроллером. Оптимизировано для реализации изолированных преобразователей мощностью до 13Вт [10]. Схема высокоэффективного преобразователя на базе TPS23757 приведена на рисунке 10. Данная микросхема поддерживает несколько источников входного напряжения с функцией переключения между ними. В качестве основного входного источника может использоваться источник с наибольшим напряжением, либо может быть отдано предпочтение конкретному источнику в случае одновременного присутствия нескольких. Имеется специальный флаговый сигнал, свидетельствующий о наличии напряжения от дополнительного источника питания.

Рис. 10. Схема высокоэффективного преобразователя на базе TPS23757

DC/DС-контроллер содержит два комплиментарных драйвера затвора с программируемым временем «мертвой зоны». Это упрощает разработку высокоэффективных обратноходовых и прямоходовых преобразователей на основе топологии active clamp. Один из драйверов может быть отключен, если предполагается использование топологии с одним MOSFET. Контроллер также содержит встроенную схему плавного пуска, источник тока запуска, компенсацию токового режима и максимальный коэффициент заполнения, равный 78%. Настраиваемый и синхронизируемый тактовый генератор позволяет оптимизировать дизайн и использовать контроллер для модернизации существующих источников питания.

LM5070— интегрированное решение, объединяющее в себе PoE-интерфейс и ШИМ-контроллер. LM5070 отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3af. Упрощенная схема применения приведена на рисунке 11. Данная микросхема содержит встроенный ключ коммутации линии питания на 80В и 400мА [11]. Доступны версии микросхемы с суффиксами -80 и —50. Версия «80» позволяет получить максимальный коэффициент заполнения, равный 80% с компенсацией наклона пилы, а версия «50»- коэффициент заполнения 50% без компенсации.

Рис. 11. Применение LM5070

LM5071 была разработана для реализации PD-устройств, которые должны получать питание от внешних источников, таких как AC-адаптеры [12]. Интерфейс внешнего питания запускает работу ШИМ-контроллера при отсутствии доступного питания в сети PoE и наличии питания от сетевого адаптера. Блок-схема LM5071 приведена на рисунке 12.

Рис. 12. Блок-схема LM5071

Контроллер LM5072 включает в себя все функции, необходимые для реализации интерфейса PD-устройства и DC/DC-преобразователя с минимальным количеством внешних компонентов [13]. Схема применения LM5072 приведена на рисунке 13. Данное решение поддерживает подключение внешнего источника питания. Низкое сопротивление MOSFET горячего подключения и программируемый порог ограничения тока позволяют получить вдвое большую мощность, чем требуется по стандарту 802.3af, что значительно расширяет круг возможных применений данной микросхемы.

Рис. 13. Упрощенная схема применения LM5072

Встроенный ШИМ-контроллер позволяет реализовать топологии преобразователей с использованием одного силового ключа, такие как прямоходовый, обратноходовый и асинхронный понижающий преобразователь. ШИМ-контроллер работает по пиковому току (Peak Current Mode), что дает такие преимущества, как циклическое токоограничение и более простая цепь компенсации петли обратной связи. LM5072 доступна в двух версиях: с суффиксами -80 и -50, аналогично LM5070/1.

Hi-Power PDC + DC/DC: TPS23754, TPS23756

TPS23754 и TPS23756 представляют комбинированное решение для реализации PD-устройств со встроенным DC/DC-контроллером [14]. Функционально эти устройства аналогичны TPS23757, но разработаны для поддержки нового стандарта PoE. Интерфейс PoE поддерживает расширенную аппаратную классификацию, необходимую для удовлетворения стандарта IEEE 802.3at. Класс потребления устройства устанавливается внешним резистором. Схема преобразователя на базе TPS23754 приведена на рисунке 14.

Рис. 14. Преобразователь на базе TPS23754

Каждая из микросхем поддерживает несколько источников входного напряжения, основным из которых можно установить либо больший по значению напряжения, либо PoE, либо внешний источник. Данная особенность позволяет разработчику установить, какой из источников будет обеспечивать питанием нагрузку при любых обстоятельствах. DC/DC-контроллер содержит два комплементарных драйвера затвора с возможностью программирования времени «мертвой зоны» и отключения одного из драйверов.

TPS23754 и TPS23756 имеют разные напряжения запуска работы DC/DC-контроллера. У TPS23754 это напряжение составляет 15 В, а у TPS23754 — 9 В.

Основные параметры PD-контроллеров с интегрированным DC/DC-преобразователем представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры PD-контроллеров Texas Instruments с интегрированным DC/DС-преобразователем

Заключение

Использование технологии Power-over-Ethernet при разработке новых устройств для разветвленных сетей передачи данных в различных секторах промышленности позволяет получить ряд преимуществ:

• экономичность;
• гибкость установки;
• надежность;
• безопасность.

Себестоимость конечных изделий, получающих питание по технологии PoE, может оказаться существенно ниже, чем разработка аналогичных решений с классическим питанием от сети. И дело здесь не только в отсутствии дополнительного внешнего AC/DC-адаптера, но и в сокращении расходов на установку готового продукта у потребителя. Использование технологии PoE позволяет отказаться от реализации дополнительного питающего канала, стоимость которого в некоторых особенно крупных сетях может оказаться значительной. В этом случае необходим всего один Ethernet-кабель, позволяющий реализовать информационный обмен и питание устройства, не имеющего доступа к сети питания. Устройства, питаемые посредством PoE, могут быть установлены где угодно. Их расположение не обуславливается доступом к сети питания. Отвязка от сети общего питания повышает надежность таких устройств. Работа изделия не зависит от помех и бросков напряжения в электрической сети общего пользования, и будет продолжаться даже в случае ее отключения. Отсутствие подключения к питающей сети общего пользования обеспечивает безопасность эксплуатации изделий с PoE, которая обуславливается значением питающего напряжения — 48 В постоянного тока.

Texas Instruments предлагает решения для реализации PoE-устройств любого типа. На базе микросхем TPS2384, TPS23841 и TPS23851 можно реализовать как источник питания для хост-устройства, так и промежуточные инжекторы питающей энергии для использования уже существующих хостов без поддержки PoE-технологии с PD-устройствами. Для реализации источников питания PD-устройств предлагается целый ряд микросхем как со встроенными DC/DC-контроллерами, так и без них.

Литература

1. Андрей Никитин «Компоненты Power-Over-Ethernet компании Texas Instruments в системах безопасности», Новости электроники 2010 №2

2. IEEE Std 802.3TM-2008 (Revision of IEEE Std 802.3-2005)//документ IEEE 802.3-2008_section3.pdf

Источник