Power-over-Ethernet (PoE): El nuevo estándar IEEE 802.3bt impulsa la tecnología para aplicaciones de IoT

Se han escrito muchos artículos y blogs sobre la tecnología Power-over-Ethernet (PoE) y su concepto. Un ejemplo es el artículo de Digi-Key "Una introducción a Power-over-Ethernet".

Este artículo analiza y destaca las nuevas características introducidas por el último estándar IEEE 802.3bt en el mundo actual de la IoT (Internet de las Cosas) donde todas ("las cosas") se conectan, controlan y monitorizan a través de Internet.

Mejoras del IEEE 802.3bt

La primera y más importante mejora del estándar 802.3bt es la capacidad de transferir mucha más potencia a los dispositivos de borde (dispositivos alimentados o PD) - 71.3 W, mientras que se envían 90 W desde el lado de los equipos de suministro de energía (PSE).

En segundo lugar, soporta una tasa de transferencia de hasta 10 Gb/seg. de los dispositivos de red a través de cable Cat5e.

Estas dos mejoras en la entrega de energía y la velocidad de la señal permiten que innumerables dispositivos nuevos de IoT y especialmente de dispositivos sedientos de energía de IoT (IoT industrial) y de alta velocidad reciban energía mediante la tecnología PoE. A continuación, se presentan algunos ejemplos de estas nuevas aplicaciones:

• Audio profesional
• Señalización digital
• Unidades de radio de celda pequeña 5G (Infraestructura móvil: tecnologías 3G, 4G, 5G)
• Puntos de acceso inalámbrico (WAP) 802.11ac
• Redes de área local inalámbricas de alto rendimiento (WLAN)
• Control de acceso industrial
• Iluminación
• Hogar inteligente
• Automatización de edificios y fábricas
• Terminales de punto de venta (POS)
• Kioscos de información
• Cámaras IP para exteriores con calentadores
• Monitores/portátiles
• Iluminación digital de techo

Nuevas características del IEEE 802.3bt

El nuevo estándar PoE IEEE 802.3bt define varias características nuevas y mejoras en comparación con el anterior estándar 802.3at que dan como resultado un ahorro de energía y un aumento de la eficiencia; de este modo, se permite de nuevo que más dispositivos de vanguardia utilicen la tecnología PoE.

En principio, una plataforma de IoT consiste en cuatro bloques básicos:

• Detección/monitoreo
• Procesamiento (MCU)
• Conectividad (inalámbrica o por cable)
• Administración de alimentación

Las nuevas características/mejoras del estándar IEEE 802.3bt son beneficiosas para el bloque de gestión de la energía de la IoT mencionado anteriormente. Cuatro de estas nuevas características/mejoras incluyen la firma de energía de mantenimiento corto (MPS), la autoclase, la firma simple/doble de la PD y la potencia extendida a la PD, que se examinan con más detalle en los párrafos siguientes.

Firma de energía de mantenimiento corta (MPS): MPS es el consumo mínimo de energía extraída por un PD que mantendrá el PD activo y no será desconectado por el PSE. El PSE debe quitar la energía cuando el MPS está ausente durante al menos 400 ms, asegurándose de que los cables desconectados no permanezcan alimentados.

Además, casi todos los PD en las aplicaciones de IoT tienen modos de baja potencia o de sueño. Tales PD deben tomar una corriente más alta para poder seguir funcionando, abusando de la idea de tener un modo de espera de baja potencia. Las MPS cortas abordan este tema reduciendo el ciclo de trabajo y el tiempo que debe generarse una firma de energía para mantener una conexión de energía. Esta modificación mejora la potencia mínima de reserva en un factor de 10, lo que permite que los dispositivos de borde de IoT se alimenten con PoE y tengan una potencia de reserva aceptable.

En las aplicaciones de IoT donde un gran número de los dispositivos utilizan PoE, como la iluminación LED por ejemplo, la reducción de la energía de reserva es crucial.

Autoclase: La autoclase permite que la asignación del presupuesto de suministro de energía del PSE a la DP se optimice mejor. En esencia, el PSE está "midiendo" las pérdidas del cable de Ethernet y el consumo de energía de la DP conectada a lo largo de un período definido, y "sabe" proporcionar energía "real" a esta DP en lugar de una energía "asignada" superior definida por la clase de DP. Esto permite que el mismo PSE alimente más PD, y por lo tanto más dispositivos de borde de IoT.

Firma única/doble de la PD: El estándar IEEE 802.3bt soporta dos construcciones de PD: PD de firma única y PD de firma doble. El PSE debe ser compatible tanto con las EP de firma única como las de doble firma.

Los dispositivos de doble firma permiten aplicaciones que requieren hasta el mismo nivel de potencia máxima que los dispositivos de firma única y proporcionan la flexibilidad adicional de configuraciones de carga diferentes y aisladas. Un ejemplo de esto puede ser una cámara de vigilancia exterior que necesita ser alimentada junto con un calentador o un ventilador de refrigeración para controlar las condiciones de temperatura extremas. Otro ejemplo podría ser las aplicaciones del IIoT con circuitos redundantes utilizados con fines de fiabilidad y seguridad que se alimentan alternativamente, pero no al mismo tiempo.

La figura 1 muestra los conceptos de doble/única firma.

Figura 1: Conceptos de firma simple/doble (Fuente de la imagen: Microchip)

Se puede encontrar más información técnica sobre los PD de doble firma IEEE 802.3bt en el sitio web de Ethernet Alliance (EA) .

Potencia extendida al PD: El estándar IEEE 802.3bt define una potencia máxima de 90 W que un dispositivo PSE puede enviar y 71.3 W que un dispositivo PD puede recibir. Esta caída de potencia de PSE a PD tiene en cuenta la pérdida máxima de 19 W a través de toda la longitud del cable de los 100 metros máximos definidos por el estándar Ethernet. Con el nuevo estándar IEEE 802.3bt, el PD puede medir la resistencia del cable, calcular la potencia que se perderá en el cable y proporcionar una potencia lo suficientemente alta como para compensar la potencia máxima "desperdiciada" de 19 W disipada por el cable de 100 metros. Si la distancia de la PD a la PSE es inferior a 100 metros, se puede proporcionar más de 71.3 W a la PD. Por ejemplo, si la longitud del cable está en el rango de 2 - 5 metros, la potencia que la PD puede recibir del PSE puede ser cercana a los 90 W que el PSE está enviando.

Mejoras en la eficiencia energética del IEEE 802.3bt

Aunque no está definido explícitamente por el estándar 802.3bt, pero cerca de su ratificación y en el espíritu de la eficiencia de la gestión de la energía y los requisitos de aplicación de IoT, varios de los principales proveedores de circuitos integrados de PoE han mejorado el diseño de sus chips para abordar la eficiencia energética.

Figura 2: Topología de bloque PoE (Fuente de la imagen: Microchip)

Antes de ver la figura 2, se debe definir la funcionalidad tanto del PSE como del PD.

En el caso del PSE, los requisitos de funcionalidad pueden resumirse brevemente como sigue:

• Detectar un PD válido
• Clasificar las capacidades de energía de la DP
• Proporcionar 4 W a 90 W de potencia a 44 a 57 voltios a la PD
• Realizar la optimización y asignación de la energía
• Realizar la monitorización de fallos y la desconexión cuando sea necesario
• Cortar la energía del puerto apropiado si se detecta una condición de corriente subterránea
• Proporcionar protección contra sobretensiones
• Proporcionar aislamiento de los circuitos del interruptor

De manera similar, un resumen de la funcionalidad de un PD es el siguiente:

• Proporcionar protección de la polaridad
• Proporcionar firmas para la detección y la correcta clasificación
• Realizar la optimización de la energía
• Proporcionar aislamiento
• Proporcionar un sesgo opcional para el arranque de CC/CC
• Convierte 57 V en el voltaje de suministro regulado requerido por la aplicación

Como se puede ver en la Figura 2, la energía del PSE se envía a través del cable Ethernet a la DP. El chip del puente de diodo del PD rectifica entonces el voltaje del cable. En los sistemas PoE de 2 pares, el voltaje puede ser entregado sobre los pares de datos o los pares de repuesto, pero no ambos. En los sistemas PoE de 4 pares definidos por el IEEE 802.3bt, todos los pares están alimentados.

Por lo tanto, se necesitan dos puentes dentro de la DP (Figura 3).

Figura 3: Dos puentes dentro de la DP (Fuente de la imagen: Analog Devices/Linear Tech)

La solución de puente de diodos convencional tiene varios inconvenientes:

• La alta pérdida de energía causada por la caída de voltaje del cable
• Disipación térmica alta
• Requiere consideraciones adicionales de diseño térmico

Debido a los inconvenientes mencionados, el uso de los puentes de diodos tradicionales en muchas aplicaciones de IoT es muy problemático, si no imposible.

Una solución más eficiente que el puente de diodos es el llamado IdealBridge^™, introducido por primera vez por Microsemi (ahora Microchip). Esta solución es un puente basado en el MOSFET de canal N con un controlador.

Las diferencias entre un puente de diodos convencional doble y un puente ideal único se muestran en la figura 4.

Figura 4: Puente de diodos convencional doble vs. uno simple IdealBridge™ (Fuente de la imagen: Microchip)

Las ventajas del IdealBridge incluyen:

• La solución totalmente integrada reduce la lista de materiales - Ahorra espacio en la PCB y simplifica la implementación
• Circuito autoimpulsado para MOSFET
• Bajo R_DS(ON), bajo consumo de energía
• Maximización de la eficiencia energética: ofrece una mayor potencia de salida y voltaje
• Reduce dramáticamente la disipación de calor, eliminando los problemas de diseño térmico y la necesidad de un disipador.
• Funciona con aplicaciones PoE de 2 y 4 pares
• Compatible con los estándares IEEE 802.3xx

Microsemi/Microchip introdujo la primera solución "IdealBridge™" con el PD70224. Otras soluciones similares de otros proveedores son los LT4321 de Analog Devices/Linear Tech, el diodo ideal de 1 canal FDMQ8205A deON Semiconductor (no un puente) y la solución integrada PM8805 de STMicroelectronics (IdealBridge integrado en un chip PD IC).

Conclusión

El último estándar IEEE 802.3bt añade nuevas características a la tecnología PoE y mejora las ya existentes. Estas características amplían el rango de los dispositivos de borde que pueden ser conectados usando el concepto de PoE, apoyando así muchas nuevas aplicaciones de IoT.

Para apoyar las infraestructuras que no son PoE, hay varias soluciones intermedias como midspans/inyectores y divisores de potencia. Sin embargo, es importante señalar que el estándar IEEE 802.3bt es una norma bastante nueva y muchos proveedores han ofrecido productos en este ámbito antes de su ratificación a finales de 2018. Para aprovechar las ventajas de las nuevas características del estándar IEEE 802.3bt y mantener la interoperabilidad entre los proveedores, las piezas y los productos deben estar calificados para este estándar IEEE 802.3bt, lo que debe indicarse explícitamente en las hojas de datos.