На просторах интернета достаточно много информации об основных аспектах, связанных с работой PoE. Я постараюсь внести большую ясность в технические подробности организации электропитания для устройств поддерживающих технологию PoE.

Основные сокращения:

PoE (Power over Ethernet) передача электропитания вместе с данными по одному кабелю.

PSE (Power Sourcing Equipment) питающее устройство.

PD (Powered Device) питаемое устройство.

LLDP (Link Layer Discovery Protocol) протокол канального уровня.

MAC (Media Access Control) нижний подуровень канального (второго) уровня модели OSI.

Далее опишу основные этапы и процессы, происходящие при подключении PD к PSE (или наоборот).

1. Детектирование;

2. Классификация (802.3af/at отличается от 802.3bt);

3. Включение электропитания.

1. PD процесс детектирования

Во время этапа обнаружения, PSE выставляет «на линию» напряжение в пределах 2,7… 10,1 В. Этого напряжения достаточно, чтобы компаратор DCMP включил MOSFET N_S1, как показано на рис. 2, и, таким образом, V_IN от PSE воздействует непосредственно на резистор обнаружения R_DE. Резистор R_DE детектируется PSE. Процесс детектирования PSE - контроль тока в цепи PD (на стороне PSE предусмотрен токовый шунт номиналом 0,125 … 0,25 Ом). Номинал резистора R_DE регламентируется стандартами (802.3at и 802.3bt) и составляет 23,7…26,3 кОм, которое при измерении на PSE составляет 19 … 26,5 кОм при входном напряжении 2,7… 10,1 В постоянного тока. В схемах чаще всего можно встретить резистор R_DE 25 кОм ± 5 % или 24,9 кОм ± 1 %. Важно отметить, что метод измерения сопротивления (детектирования) должен учитывать неизвестное падение напряжения до 2,7 В, связанное с одним или несколькими диодными переходами, включенными последовательно с этим сопротивлением нагрузки. Это означает, что сопротивление должно определяться измерением [ΔV / ΔI], выполненным при 2 (или более) уровнях напряжения, и что минимальное определяемое напряжение должно быть не менее 2,7 В постоянного тока. Стандартами 802.3at и 802.3bt не регламентируется процесс детектирования. Каждый из производителей разрабатывают свой алгоритм детектирования. Более сложные алгоритмы требуют применение производительных вычислителей для выполнения этапа детектирования, но обеспечивают большую надежность процесса детектирования. Т.е. по ошибке PSE не выдаст электропитание к устройству, не поддерживающему технологию PoE.

После окончания этапа обнаружения (Detect) R_DE отключается.

Некоторые параметры, влияющие на процесс детектирования:

2. PD процесс классификации – 802.3 af/at

Этап классификации позволяет оценить потребляемую мощность PD по классификационному току через резистор класса R_CL (см. рис. 2) до подачи питания. Блок классификации также отключается, чтобы избежать чрезмерного энергопотребления, если этап классификации завершен (аналогично этапу детектирования).

Классификация выполняется путем подачи напряжения в диапазоне 15,5…20,5 В и измерения фиксированной нагрузки по постоянному току, формируемой PD (R_CL).
Величина измеренного тока затем переводится в классификацию см. табл. 2.

PSE может «принимать решения» относительно текущих измерений, которые попадают между указанными диапазонами (см. таблицу 2). Классификация должна быть завершена за 75 мс, поэтому обычно классификация включает короткий импульс с фиксированной амплитудой 15,5 … 20,5 В. Импульс класса «одиночное событие» (см. рисунок 3) может вернуться к нулю или сохранить свое значение (или любое промежуточное значение) после завершения классификации.

Спецификация 802.3at требует, чтобы все совместимые PSE выполняли классификацию, и добавляет расширенную опцию определения классификации, которая позволяет PSE «сигнализировать» о своей мощности 802.3at тип 2 питаемому устройству (PD) при считывании потребляемой мощности питаемого устройства (PD). Классификация «двух событий» (см. рис. 3) включает в себя 2 последовательных измерения тока классификации, разделенных областью «метки». Устройство 802.3at типа 2 PD должно быть способно сбрасывать напряжение класса, чтобы «видеть» эту область метки и, таким образом, обнаруживать наличие PSE с поддержкой 802.3at. Классификация с двумя событиями никогда не может упасть ниже 2,8 В, иначе PD перезагрузится и «забудет», что PSE поддерживает питание типа 2.

PSE типа 2 могут использовать классификацию PD с одним событием или с двумя событиями. Те, которые используют метод одиночного события, должны использовать протокол LLDP уровня MAC для согласования мощности с PD типа 2 после первоначального включения питания PD (протокол LLDP штука не обязательная и мало кто ее поддерживает из производителей).

Ниже приведена последовательность запуска интерфейса изображена на рис. 3.

Следует отметить, что, несмотря на различные требования, описанные для обнаружения (детектирования) PD в спецификациях 802.3, существуют значительные возможности для алгоритмических изменений. На практике импульсы обнаружения, схемы измерения обнаружения значительно различаются в зависимости от технологий интерфейса PSE. Стандарты 802.3 не запрещают использование дополнительных схемных решений, которые могут повысить точность и скорость обнаружения, а также снизить риск возможного повреждения оборудования конечных устройств, не поддерживающих технологию PoE.

3. PD процесс классификации – 802.3 bt

Стандарт 802.3bt добавляет отдельный этап классификации и характеристики PD, относящийся к проверке соединения. Единственная функция этого «измерения» PSE состоит в том, чтобы позволить PSE с 4 парами определить, является ли PD одиночной подписью или PD двойной подписью, или ни тем, ни другим. PSE работающие по 4 парам управляют PD с одной подписью иначе, чем PD с двойной подписью, поэтому это важная часть процесса обнаружения. При разработке стандарта 802.3bt участники намеренно решили дать расплывчатое описание процесса проверки соединения, заявив, что он должен работать в том же диапазоне напряжений, что и обнаружение (детектирование) PD, и что, как и обнаружение (детектирование) PD, он должен быть завершен в течение 400 мс после подачи питания на PD. По сути, это позволяет поставщикам интегрированных контроллеров PSE делать собственные решения в отношении проверки соединения.

На рис. 4 показана базовая концепция проверки соединения 802.3bt PD, когда во время процесса классификации PD применяется одновременно к обоим наборам пар, и выполняется некоторая форма измерения, чтобы определить, не вызывает ли присутствие одной подписи PD какие-либо помехи на других парах.

Например, если оба набора пар подают одинаковый ток на один сигнатурный PD, возникающее напряжение будет зависеть от комбинированных токов и сопротивления обнаружения PD. И наоборот, если этот же источник применяется к PD с двойной подписью, напряжение, появляющееся на каждой паре, будет примерно вдвое меньше, поскольку каждый источник тока нагружен на собственный резистор обнаружения ~25 кОм. Это основная концепция проверки соединения.

  802.3bt включает в себя 8 одиночных и 5 двойных классификационных групп PD, четыре из
которых относятся к PD с одной подписью и пять относятся к PD с двойной
подписью. 802.3bt также сохранил классификацию 803.2af/at PD
1-4. Как и в случае классификации по 2 событиям в 802.3bt, подсчет импульсов
классификации представляет метод, с помощью которого PSE может сообщить уровни
мощности PD. В следующей таблице описаны 13 возможных классификаций PD,
описанных в спецификации 802.3bt.

В отличие от 802.3af/at, 802.3bt требует, чтобы токи классификации, используемые более новыми классами PD, изменялись после завершения первых двух событий квалификации. Это различие позволяет PSE 802.3bt различать PD 802.3af/at, где сигнатура классификации никогда не меняется после события второго класса, и PD 802.3bt, где эта сигнатура всегда меняется. На рис. 5 показана зависимость между напряжением PSE и потребляемым током PD во время последовательности классификации из 4 событий.

Несмотря на то, что схема классификации 802.3bt намного сложнее, чем схема классификации 802.3at, она была разработана для обеспечения полной обратной совместимости с PSE и PD 802.3af/at.

В следующей таблице 4 описаны сигнатуры классификации 802.3bt. Обратите внимание, что 802.3at класса 0 не включен в 802.3bt, однако PD класса 0 обычно управляется так, как если бы это был PD класса 3, потребляющий до 13 Вт максимум.

Другой уникальной особенностью 802.3bt является то, что событие первого класса должно длиться от 88 до 105 мс (см. рис. 5). Это значительно дольше, чем импульсы класса 802.3af/at, и намного дольше, чем импульсы класса после первого события. Удлиненный импульс класса сигнализирует PD 802.3bt о том, что PSE совместим со стандартом 802.3bt и работает в соответствии с правилами и требованиями PSE 802.3bt. PSE 802.3af/at никогда не превысит 72 мс во время классификации.

Наконец, еще одна функция классификации 802.3bt называется "автокласс". Автокласс позволяет PD выдать PSE , вскоре после подачи рабочего напряжения, максимальный уровень потребляемой мощности, который PD потреблять не будет (т.е. PSE выдает ток с запасом из-за того, что PD имеет такую функцию - кратковременное потребление максимальной мощности). Затем PSE, поддерживающий дополнительную функцию автокласса, может измерить этот уровень мощности и использовать его для управления общей выдаваемой мощностью PSE в процессе работы. Это особенно полезно, поскольку измеренное энергопотребление учитывает потери мощности в кабеле между PSE и PD.

PD, поддерживающий автокласс, всегда будет потреблять максимальную мощность в интервале времени от 1,5 до 3,3 секунд после подачи рабочего напряжения.

На практике применение автокласса ограничено, поскольку многие PD не могут обеспечить условия максимальной нагрузки в течение временного интервала (от 1,35 до 3,65 секунд) после включения питания. Многие PD в этот промежуток времени находятся на стадии процесса загрузки устройств.

4. Включение питания

PSE выдает напряжение в рабочем диапазоне после завершения этапа классификации. Выходной МОП-транзистор включается, когда напряжение VDD поднимается выше порога, соответствующего этапу классификации (см. таблицу ниже). Затем конденсатор C_IN заряжается, и, таким образом, напряжение V_OUT уменьшается с VDD почти до VSS (см. рис. 6) «Inrush Load». Далее, выходной сигнал PG интерфейса переключается на высокий уровень, чтобы включить преобразователь мощности, который начнет потреблять с заряженного конденсатора C_IN.

PD могут быть реализованы с собственным внутренним ограничением пускового тока, чтобы продлевать периоды зарядки без перегрузки по току от PSE.

Некоторые PD имеют режимы пониженного энергопотребления или режимы ожидания, и по этой причине они могут быть отключены от PSE (PSE отключается). Существующие стандарты IEEE определяют минимальный ток нагрузки, потребляемый от PD, чтобы гарантировать PSE, что PD по-прежнему потребляет номинальный ток.