Power over Ethernet Bidirecional

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O Power over Ethernet (PoE) é uma tecnologia na qual a fiação Ethernet padrão tem duas funções, como uma instalação de transporte de dados e um meio de fornecer energia a dispositivos remotos. Isso oferece muitas vantagens na simplicidade da instalação e na eficiência da interconexão. O PoE encontrou amplo uso em aplicações como câmeras de segurança, telefones IP, pontos de acesso sem fio e luminárias para edifícios inteligentes. No entanto, existem deficiências no PoE padrão, e este blog sugere algumas técnicas para ajudar a melhorá-lo.

Sistemas unidirecionais tradicionais de alimentação por Ethernet

O padrão PoE original é o IEEE 802.3af, que especificou 15,4 W em 48 V lançados em cabos Ethernet de par trançado CAT-5 padrão. Variantes posteriores incluem 802.3at. que pode suprir 30W e 802.3bt, que pode fornecer 60W ou 100W. Há também uma série de implementações não padronizadas que podem atingir potências mais altas ou maior alcance.

Os sistemas PoE funcionam com base no fluxo de energia fornecido a partir de um terminal de equipamento de fonte de alimentação (PSE), através do cabo CAT-5, e em um dispositivo alimentado (PD). Esse fluxo de energia não dificulta a entrega de dados Ethernet bidirecionais exatamente pelos mesmos condutores. Como os cabos Ethernet de par trançado de categoria 5 são otimizados para sinais digitais de alta velocidade e não para fornecimento de energia, pode haver perdas significativas de I2R no cabo. Os padrões permitem que aproximadamente 15% da energia lançada no PSE seja perdida no cabo antes de atingir o PD. Os conversores de alimentação DC-DC (ou conversor de potência DC-DC) no PSE e PD convertem entre os aproximadamente 48VDC na linha PoE para as tensões internas usadas nos dispositivos em cada extremidade.

Vantagens da alimentação bidirecional em sistemas Power over Ethernet

Observe que o fluxo de energia no PoE padrão é unidirecional, sempre do PSE ao PD. Isso limita a aplicabilidade do PoE e também pode exigir links PoE redundantes em cada direção, se o PSE e o PD precisarem trocar de papéis. Existem várias razões pelas quais podemos querer fluxos bidirecionais nesses fios. Um cenário envolve um sistema de energia distribuído. Os pontos de extremidade remotos podem ter baterias internas ou podem estar associados a suas próprias fontes de energia. Um excelente exemplo poderia ser um poste de luz com uma matriz fotovoltaica integrada e uma bateria. Durante trechos escuros prolongados, a rede fornece energia através do PoE para manter as luzes acesas e a bateria do aparelho carregada. No entanto, quando o sol está brilhando e a bateria interna está totalmente carregada, os Watts da matriz fotovoltaica (PV) em cada ponto de iluminação da rua podem retroceder o PoE e ajudar a alimentar roteadores, semáforos e outras cargas maiores na rede inteligente de rodovias ou venda energia excedente de volta à rede elétrica. Outro motivo para o PoE bidirecional é a tolerância a falhas. 

Em redes IoT de missão crítica, roteadores e computadores de borda são geralmente executados em pares duplex. Um modo de falha predominante desses dispositivos é a fonte de energia local ou a fonte de alimentação controlada por linha. Se uma porta PoE bidirecional interconectar dois roteadores redundantes, se a conexão da rede AC ou o módulo de fonte de alimentação executando um dos roteadores falhar, o PoE bidirecional poderá emprestar um pouco de energia de seu parceiro, transmiti-lo na direção apropriada pelo PoE e controlar o nó com falha até que possa ser reparado. Um terceiro caso de uso possível para PoE bidirecional poderia encadear uma matriz linear de nós de IoT, onde a energia é alimentada nas duas extremidades, cada uma das duas portas Ethernet em cada dispositivo de uma cadeia poderia fornecer ou consumir energia. Por fim, existem usos potenciais semelhantes às portas USB-C em laptops modernos, onde às vezes a porta carrega uma carga e outras vezes aceita um cabo de carregador. Muitas aplicações IoT em potencial poderiam usar esses recursos bidirecionais.

Então, como um único ponto dispositivo endpoint funciona como PSE e PD? O truque é transformar os conversores de alimentação em cada extremidade em dois quadrante. No PoE tradicional, o conversor de alimentação pode receber apenas uma tensão específica (digamos 380 VDC diretamente dos circuitos de correção do fator de potência na entrada AC) e convertê-lo em para os 48 V - bulk convert (geralmente definidos com uma tensão um pouco mais alta, como 54 V) usados ​​para acionar os transformadores PoE que inserem os cabos. No PD, novamente há normalmente outro conversor DC-DC que retira os 48V do cabo PoE e cria a tensão do barramento intermediário (geralmente 12V ou 3,3V) usada pelos circuitos do PD. Não há como esses suprimentos de um quadrante reverterem seu fluxo de energia. No PoE bidirecional, os conversores de alimentação nas duas extremidades são convertidos para operação em dois quadrantes; portanto, quando comandados, os circuitos do regulador de comutação interno podem aceitar energia de qualquer porta, executar as conversões de tensão apropriadas e fornecer a energia para a porta oposta. Nos dispositivos PoE de várias saídas de hoje, como switches e roteadores, geralmente há um grande conversor bulk para todas as portas PoE. Para convertê-lo em operação bidirecional, teria que haver um conversor de alimentação de dois quadrantes dedicado individual para cada linha de PoE atendida, porque um subconjunto das linhas ativas estará operando como PSEs e o restante como PDs.

Controlar a operação desses conversores de alimentação pode ser complicado. O sistema precisaria monitorar as tensões e os fluxos de corrente nas duas portas de todos os conversores de alimentação e instruir os conversores em cada extremidade de cada linha como programar sua direção de conversão, frequência de comutação, forma de onda etc. Em dispositivos com limites de capacidade - como as principais fontes de alimentação dos roteadores PoE centrais, potencialmente com centenas de portas - os algoritmos de controle devem garantir que a energia total dentro e fora de todas as portas permaneça dentro desses limites. O sistema de controle também precisa ter muito cuidado e sincronização precisa quando uma linha PoE muda de direção, para evitar transientes que, por exemplo, poderiam acontecer se as duas extremidades de um cabo fossem programadas como PSEs de alta potência simultaneamente.

A patente US 9.531.551 inclui detalhes de como a PoE bidirecional poderia funcionar, o projeto dos conversores de alimentação de dois quadrantes necessários e o sofisticado sistema de controle de que ele depende. Usando esse esquema, muitas arquiteturas avançadas de distribuição de energia são possíveis, o que deve aumentar a versatilidade, a eficiência e a confiabilidade das redes baseadas em PoE.

Pontos chave:

  • Os projetistas podem modificar o Power over Ethernet para transportar energia em ambas as direções.
  • Muitas aplicações de IoT podem se beneficiar do PoE bidirecional.
  • O PoE bidirecional requer algoritmos especiais de projeto e controle de conversores de alimentação.

Artigo escrito originalmente por Charles Byers para Mouser Electronics: Bidirectional Power over Ethernet.Traduzido por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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