Zwar geht die Idee der Zusammenführung von Stromversorgung und Datenübertragung über das Telefonsystem bis auf das Jahr 1875 zurück, doch hat es bis zur Entwicklung der PoE-Technologie gedauert, bis das Konzept eines intelligenten Energiemanagements Wirklichkeit werden konnte. Bei PoE stellt das Speisemodul (Power Sourcing Equipment, PSE) den Strom ausschließlich geeigneten Verbrauchern (Powered Device, PD) zur Verfügung sowie überwacht und begrenzt die von jedem PD maximal entnehmbare Leistung. Zudem wird der Verbraucher bei einer physischen Trennung oder einer Störung, wie Kurzschluss oder Überlastung, elektrisch abgeschaltet.
PoE wird entweder als integrales Leistungsmerkmal des Netzwerk-Switches oder über Peripheriegeräte, so genannte Midspans, die zwischen dem vorhandenen Switch und den PDs des Netzwerks installiert werden, implementiert. Die Midspans sind die ideale Lösung, wenn keine Notwendigkeit besteht, den Netzwerk-Switch aufzurüsten. Sie sind mit vielen unterschiedlichen Port-Dichten erhältlich und stellen wichtige Funktionen zum Fernmanagement und zur Energieeinsparung zur Verfügung, die ein PoE-fähiger Switch nicht bieten kann.
Foto: Microsemi
Derzeit nutzt die Industrie die in der Chip-Technik und auf Systemebene gemachten Fortschritte, damit PoE noch mehr Leistung mit einem schnelleren und präziseren Energiemanagement und einem höheren Wirkungsgrad übertragen kann. Heute lässt sich PoE in einer immer breiter werdenden Palette von Plattformen und Anwendungen, von Zugangspunkten nach 802.11n bis zu WiMAX-Plattformen, IP-Sicherheitskameras, industrieller Steuerungstechnik und Thin Clients, einsetzen. Diese Technologie wird zu einer scharfen Waffe im Kampf gegen Energieverschwendung im gesamten Unternehmen und selbst in Rechenzentren, von kleinen Serverschränken bis zu großen Datenzentren der Enterprise-Klasse, wo insbesondere die mangelnde Energieeffizienz großer Switche Probleme bereitet.
Maximierung der bereitgestellten elektrischen Leistung
Kaum war IEEE802.3af-2003 ratifiziert, da erwies sich die ursprünglich für die Verbraucher vorgesehene Leistungsklasse von 12,95 Watt als unzureichend. Im November 2004 hat die IEEE802.3 dann die Arbeitsgruppe PoE-Plus gegründet, die später in die Arbeitsgruppe IEEE802.3at mündete.
Die Organisation wurde beauftragt, Spezifikationen zu schaffen, die die den Verbrauchern (PD) über zwei Ethernet-Kabelpaare zur Verfügung gestellte Leistung auf 30 Watt erhöhen würde, so dass über Entfernungen von bis zu 100 Metern letztendlich 25,5 Watt entnommen werden könnten. Das ist insbesondere für solche Geräte wie dreh- und schwenkbare PTZ-Kameras wichtig, die zur Steuerung der Kameraposition auf einen internen Motorantrieb zurückgreifen. Diese Geräte können nun über PoE die volle benötigte Leistung von typischerweise 12 bis 20 Watt erhalten. Die Mehrzahl der heute eingesetzten PTZ-Kameras ist bereits für PoE vorgerüstet und kann an 802.3at-Quellen betrieben werden, was den Übergang zum PoE-Plus höherer Leistung erleichtert.
Die jüngste, vom Standard IEEE802.3at-2009 definierte PoE-Technologie legt auch neue Leistungsklassen für Verbraucher (PD) und Speisemodule (PSE) fest. Die Spezifikation für Verbraucher höherer Leistung beinhaltet die frühere 1-Event-Klassifikation der physikalischen Layer des ursprünglichen Standards zur Gewährleistung der Abwärtskompatibilität mit den vormals maximal zulässigen 12,95 Watt. Die gleiche Klassifikation wird vom PSE zur Speisung älterer PDs verwendet.
|
Klasse |
PD-Klasse |
Elektrische Leistung des PD |
|---|---|---|
|
0 |
Standard, Typ1 |
0,44 Watt bis 12,95 Watt |
|
1 |
Typ 1 |
0,44 Watt bis 3,84 Watt |
|
2 |
Typ 1 |
3,84 Watt bis 6,49 Watt |
|
3 |
Typ 1 |
6,49 Watt bis 12,95 Watt |
|
4 |
Typ 2 |
12,95 Watt bis 25,5 Watt |
Zusätzlich gibt es nun eine 2-Event-Klassifikation für die physikalische Layer und eine Klassifikation für die Sicherungsschicht (Data Link Layer, DLL). Bei der ersten sendet das PSE als Speisemodul zwei Klassifizierungsimpulse aus. Jeder Verbraucher höherer Leistung, der mehr als 12,95 Watt benötigt, antwortet darauf mit einer Klassse-4-Signatur. Bei der zweiten Klassifikation sendet das PSE einen einzigen Klassifizierungsimpuls aus und versorgt den Verbraucher mit Strom, der dann in der Lage ist, mit dem PSE zu kommunizieren und seinen Leistungsbedarf über ein DLL-Protokoll, wie das Link Layer Discovery Protocol (LLDP), auszuhandeln. Der Entwurf 4.2 zum Standard IEEE802.3at legt fest, dass die Verbraucher beide Methoden unterstützen müssen, während vom PSE nur ein Klassifikationsverfahren gefordert ist.
Cat5-Ethernet-Kabel als Stromlieferant
Für noch höhere Leistungsanforderungen spezifizieren die neuesten PoE-Standards die optionale Nutzung aller vier Paare des Ethernet-Kabels. Damit ist es möglich, Gleichstrom mit bis zu 60 Watt über ein einziges Ethernet-Kabel mit einer Stromstärke von 600 mA anstatt mit 1,2 A, wie es bei 2-Paar-Midspans gleicher Leistung erforderlich wäre, zu übertragen.
Um diese Leistungen zu ermöglichen, hat die IEEE-Spezifikation die Definition des Verbrauchers dahingehend geändert, dass er jetzt als Leistungsschnittstelle und nicht mehr als das gesamte mit Strom versorgte Gerät angesehen wird. Das bedeutet, dass nun zwei Leistungsschnittstellen von je 25,5 Watt Leistungsaufnahme im gleichen Gerät zur Verfügung stehen können. Nichts spricht dagegen, diese Schnittstellen miteinander zu verbinden, wobei eine über die zwei Paare mit den Adern 1,2,3 und 6, und die andere über die beiden Paare mit den Adern 4, 5, 7 und 8 betrieben wird. Dadurch ist es möglich, die vom Standard 802.3at-2009 definierte Maximalleistung von 25 Watt bei voller Einhaltung des Standards auf bis zu 51 Watt zu erhöhen.
Foto: Microsemi
Die Stromversorgung über alle vier Paare des Cat5-Ethernet-Kabels erhöht nicht nur die den Verbrauchern zur Verfügung gestellte Leistung, sondern verbessert auch den Wirkungsgrad im Vergleich zur 2-Paar-Lösung. Anstatt 51 Watt mit einer 4-Paar-Lösung über Cat5-Kabel bereitzustellen, kann die gleiche 4-Paar-Konfiguration genutzt werden, um 2-Paar-Geräte mit 30 Watt zu versorgen, wobei nur maximal halb so viel Leistung verloren geht und fast 15 % weniger Energie als bei konventionellen 2-Paar-Lösungen verbraucht wird. Das bedeutet bei angenommenen Energiekosten von 0,10 US-Dollar pro Kilowattstunde (kWh) Einsparungen von ungefähr 25 US-Dollar jährlich pro Verbraucher.
Anwendungen von PoE bis 51 Watt
Die Hauptanwendung für die Bereitstellung von 51 Watt über PoE stellen Komplettsysteme dar, die eine IP-Kamera mit zusätzlichen Leistungsverbrauchern wie Heizungen beinhalten. Auf dem Markt für Zugangskontrollsysteme benötigt ein Komplettsystem aus Controller, Lesegerät und ein paar Türschlössern schnell mindestens 45 Watt sicherer Leistung.
Vorsicht ist jedoch bei Lösungen geboten, die mehr als 60 Watt pro Port versprechen, da hier Konformitätsprobleme auftreten können. Jeder Wert von über 100 Watt pro Port birgt sogar erhebliche Sicherheitsrisiken. Doch mit den jüngsten 4-Paar-Lösungen gemäß 802.3at ist es möglich, weit über die 42 Watt der Zwei-Paar-Konfigurationen hinauszugehen, um die Entnahme von 51 Watt zu gewährleisten und dabei an der Stromquelle eine PoE-Technologie mit 60 Watt einzusetzen, die uneingeschränkt zum Industriestandard kompatibel ist.
Aufgrund ihrer Kompatibilität mit den IEEE-Standards bieten die heutigen 802.3at-konformen Geräte alle notwendigen Leistungsmerkmale zur Erkennung der PoE-Konformität des Verbrauchers für die Gewährleistung einer sicheren Stromversorgung sowie zur sicheren Trennung des Verbrauchers bei Überlast, Kurzschluss oder Unterlast.
Sicherheitsfunktionen
Die nachfolgenden Abbildungen verdeutlichen den schematischen Ablauf von PoE-Detektion, Speisung, Energiemanagement und Trennen.
In der Abbildung Schutzschaltung erläutert den Prozess von der ersten PD-Detektion zur Prüfung der PoE-Kompatibilität des Verbrauchers bis zur PD-Klassifizierung, bei der vor der Freischaltung der Stromversorgung die Leistungsklasse des Verbrauchers ermittelt wird. Zur Vermeidung von Dateninterferenzen bei hohen Frequenzen erfolgt ein schrittweises Hochfahren. Echtzeitschutz und Energiemanagement sorgen für die laufende Systemsicherheit. Bei Bedarf folgt dem Trennen des Verbrauchers eine schnelle Stromabschaltung.
Foto: Microsemi
Die Abbildung Details zeigt das Verhalten des PSE-Signals während dieses Prozesses. Die Erkennung der PoE-Leitung ist vor allem aus Sicherheitsgründen von Bedeutung. Diese Funktion gewährleistet die sichere Installation, ohne dass man sich Gedanken um Laptops, Desktops und andere inkompatible Geräte machen muss, die im Falle eines versehentlichen Anschlusses Schaden nehmen könnten. Eine defekte Kamera oder ein gestörtes Zugangskontrollterminal werden erkannt und abgeschaltet, so dass eine Beschädigung teurer Switche und Patchfelder im Ethernet-Netzwerk vermieden wird. Die Erkennung der PoE-Leitung ist einer der Gründe, warum Midspans viel mehr als nur intelligente Spannungsquellen sind.
Foto: Microsemi
Weitere PoE-Sicherheitsfunktionen beinhalten die Aktivierung einer zentralen unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) zur kostengünstigen Verteilung der verfügbaren Leistung an einzelne Ethernet-Endgeräte. Damit erhöht sich die Verfügbarkeit der Netzwerkdienste, und die Administratoren sind bei Bedarf in der Lage, kritische Funktionsparameter zu überwachen, Alarme festzulegen und das sichere Management der Wiederherstellung der Stromversorgung zu gewährleisten.
Vergrößerung der Reichweite von PoE
Die jüngsten PoE-Standards mit 4-Paar-Lösungen ermöglichen mehr als nur die Bereitstellung von mehr Leistung. Da die Stromversorgung über 4 Aderpaare niedrigere Stromstärken nutzt, vergrößert sich auch die Reichweite der PoE-Technologie durch Verringerung der Verluste auf dem Kabel.
Wenn beispielsweise Typ-1-Geräte über 4 Paare mit Cat5-Kabeln (Worst Case) gespeist werden, dann bedeutet das eine drastische Verringerung des Leitungswiderstands im Vergleich zu Cat3-Kabeln. Der Leitungswiderstand von Cat3-Kabeln beträgt 20 Ohm auf 100 m, während Cat5-Kabel mit 4 Paaren einen Widerstand von nur 6,25 Ohm auf 100 m aufweisen. Das heißt, dass PoE seine Verbraucher bei der 4-Paar-Lösung über drei Mal längere Entfernungen mit Strom versorgen könnte. Bei PDs mit 12,95 Watt Leistungsaufnahme sind das bis zu 320 Meter.
Natürlich funktioniert dieses Konzept nur, wenn das auf der physikalischen Layer (PHY) zur Datenübertragung genutzte Gerät auch diese weiten Strecken unterstützt. Solange wie die dem Verbraucher zur Verfügung gestellte Eingangsspannung mindestens 37 V beträgt und die Stromstärke unter 600 mA liegt, akzeptiert der Verbraucher bei den Geräten vom Typ 2 Kabellängen von bis zu 200 Metern. Und zwar mit identischer Leistung, da das PSE die Last von Kabel und Verbraucher als eine Einheit überwacht.
|
Typ |
PDs pro RJ45-Anschluss |
PSE-Leistung (Watt) |
PD-Leistung (Watt) |
Kabel-kategorie |
PD-Mindest-spannung (V) |
Kabel-widerstand auf 100m (Ohm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
1 |
1 (2-Paar) |
15,4 |
12,95 |
Cat 3 und höher |
37 |
20 |
|
1 |
2 (4-Paar) |
30,8 |
25,9 |
Cat 3 und höher |
37 |
20 |
|
2 |
1 (2-Paar) |
30 |
25,5 |
Cat 5 und höher |
37 |
12,5 |
|
2 |
2 (4-Paar) |
60 |
51 |
Cat 5 und höher |
37 |
12,5 |
IT-Spezialisten können sogar noch größere Reichweiten realisieren. Durch die Kombination einer 4-Paar-Lösung mit einem PoE-Extender sind sie in der Lage, die Verbraucher in mehr als doppelt so großer Entfernung vom PSE zu installieren. PoE-Extender können die Reichweite um bis zu 100 Meter erhöhen, ohne auf spezifische PHY-Implementierungen angewiesen zu sein.
Mehr Leistung bei verschärften Energieeffizienzvorgaben
Die jüngste PoE-Technologie stellt nicht nur mehr Leistung zur Verfügung, sondern unterstützt auch immer strengere Energieeffizienzvorgaben wie den Standard IEEE802.3az Energy Efficient Ethernet (EEE) und den European Code of Conduct on Energy Consumption of Broadband Equipment. Sie gewährleistet eine höhere Energieeffizienz als konventionelle Steckernetzteile und bietet darüber hinaus ein dynamisches Leistungsmanagement, eine Notstromversorgung und weitere Funktionen zur Bereitstellung noch anspruchsvollerer Energiemanagement-Funktionen.
PoE-Hochleistungssysteme sind mit allen 802.3af-Endgeräten, wie VoIP-Telefonen, IP-Kameras und WLAN-Zugangspunkten, sicher einsetzbar und uneingeschränkt abwärtskompatibel. Die Daten und die Stromversorgung werden reibungslos, sicher und störungsfrei über das gleiche LAN-Kabel übertragen, wobei die Infrastruktur des Netzwerks in keinster Weise verändert wird. Daneben ebnen zahlreiche Fortschritte auf dem Gebiet des Chip- und Systemdesigns den Weg für weitere Entwicklungen.
Fortschritte in der Halbleitertechnik beflügeln PoE
Die nächste Generation intelligenter integrierter Schaltungen (IC) für Speisemodule (PSE) wurde mit Blick auf IEEE802.3at sowie mit einem gründlichen Verständnis der Dynamik des Leistungsverlusts und des Energiemanagements entwickelt. Angesichts der von PoE und insbesondere von PoE-Plus benötigten Bruttoleistung stellt das Energiemanagement eine kritische Komponente in PoE-Systemen dar. Dieses lässt sich effektiv nur mit der System-on-Chip-Technologie (SoC) umsetzen, die aber nicht notwendigerweise eine vollständige Integration beinhaltet.
Tatsächlich liegt heute der Schwerpunkt bei der PoE-Integration auf der Energieeffizienz des Gesamtsystems und ist nicht mehr auf die traditionelle Chip-Ebene beschränkt. Im Mittelpunkt stehen hier 1) die Verringerung des Leistungsverlusts, wobei die System- und Chip-Ebene sowie die speziellen Anforderungen der verschiedenen Verbrauchertypen und das gesamte Leistungsbudget des Netzwerks mit möglicherweise Hunderten von Verbrauchern zu berücksichtigen sind, und 2) ein präzises und auch sehr flexibles und intelligentes Energiemanagement.
Foto: Microsemi
Die Abbildungen verdeutlichen die typischen Schaltungen in einem PoE-PSE, wobei der Stromfluss von der PSE-Stromversorgung erfolgt über:
-
einen FET, der den maximal zulässigen Stromfluss durch das Kabel kontrolliert,
-
einen Messwiderstand, der die Stromstärke misst (wenn nicht bereits vom FET ausgeführt)
-
eine AC-Trenndiode (außer in DC-Trennsystemen, die keine Diode erfordern).
Foto: Microsemi
Die an jedem Port auftretende Verlustleistung kann wie folgt berechnet werden:
I2 x (RMess + RDSon(FET)) + I x VDurchlass (AC-Trenndiode)
Die Art der verwendeten PoE-Technologie definiert in Verbindung mit der Anzahl der zu speisenden Ports die Leistungsaufnahme der PoE PSE IC-Logik. ICs mit vier 4 Ports verbrauchen in ihrer Logik-Schaltung beispielsweise etwa drei Mal mehr Leistung als ICs mit 12 Ports.
Neue Halbleitertechnologien erlauben höhere Stromstärken
Ohne zahlreiche wichtige Fortschritte in der Halbleitertechnik von PoE-PSEs hätte die Erhöhung der Stromstärke von 350 mA auf 600 mA beim Übergang der Industrie zu PoE-Plus die Hersteller von PoE-Switchen vor erhebliche Probleme gestellt. Frühere, für IEEE802.3af hergestellte PoE PSE-ICs besaßen einen RMess von 2 Ohm und einen RDSon(FET) von 0,5 Ohm, was bedeutet, dass bei der DC-Trennung pro Port 0,3 Watt an den Widerständen und FETs verloren ging.
Demgegenüber besitzen die neuesten intelligenten PoE PSE-ICs weitaus kleinere Messwiderstände (0,5 Ohm) sowie externe oder sehr kleine interne FETs (0,1 Ohm), was den Leistungsverlust auf 0,07 Watt/Port im IEEE802.3af-Mode oder 0,22 Watt/Port im IEEE802.3at-Modus bei DC-Trennung (wenn unterstützt) verringert.
Die leistungsstärkeren PoE-ICs der nächsten Generation benötigen auch sehr kurze Reaktionszeiten, um den Wechsel zu heutigen neuen Hochleistungsarchitektur der PoE-PSE zu unterstützen, bei der die PSEs eine kleine interne beziehungsweise Standardstromversorgung besitzen und dann entsprechend den Kundenanforderungen mit einer zusätzlichen Stromversorgung aufgerüstet werden können.
Elektrische Leistungsverluste
Diese neue Architektur stellt eine wichtige Entwicklung dar und unterscheidet sich stark vom Design früherer IEEE802.3af-konformer PSEs, die in manchen Fällen mit voller Leistung pro Port (mit oder ohne Redundanz), aber in den meisten Systemen mit weniger als der vollen Portleistung gebaut wurden. Eine wesentliche Belastung stellen große PoE-Stromversorgungen dar, die selbst bei nicht vollständiger Nutzung noch Leistung verlieren. An einem typischen Switch mit 48 Ports und 800 Watt Komplettleistung pro Port werden unter Umständen nur 20 Ports genutzt, so dass bis zu 80 Watt Ruheleistung verloren gehen.
Ein PSE mit 24 Ports würde 400 Watt benötigen, um 15,4 Watt (plus Verluste) pro Port zu unterstützen. Dabei bieten mehrere Unternehmen PSEs mit 200 Watt für 24 Ports, das heißt im Durchschnitt 7,5 Watt pro Port, an. Während das für die meisten Anwendungen, einschließlich IP-Telefone und WLAN-Zugangspunkte, ausreicht, würden Netzwerkkameras oder WLAN-Zugangskontrollsysteme ein PSE mit voller Leistung erfordern. Das gleiche gilt für IEEE802.3at-konforme PSEs.
Obwohl es IEEE802.3af-Anwendungen gibt, die die volle Leistung pro Port fordern könnten, nutzen IEEE802.3at-Lösungen für gewöhnlich nicht die volle Leistung an einem Port und sind dabei eindeutig häufiger anzutreffen als IEEE802.3af-Implementierungen. Außerdem können IEEE802.3at-PSEs auch IEEE802.3af-Geräte mit Strom versorgen.
Stromversorgung mit verteilter Architektur
Die ideale Lösung für die neuen Hochleistungsanwendungen nach IEEE802.3at, die selten die volle Leistung an einem einzelnen Port benötigen, besteht darin, die großen Stromversorgungen durch kleinere und wirtschaftlichere interne Standardversorgungen zu ersetzen. Die kleine interne Speisung wird bei höherem Leistungsbedarf dann einfach durch externe Stromversorgungen ergänzt. Diese neue verteilte Architektur der Stromversorgung verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Systems, ermöglicht die priorisierte Notstromversorgung pro Port und verringert durch die kleinere Stromversorgung und die damit entsprechend kleineren und/oder langsamer drehenden Lüfter die Wärmeableitung und die Kosten.
Foto: Microsemi
Das Management mehrerer Stromversorgungen in dieser neuen Architektur setzt bei den die Gesamtleistung verwaltenden PoE-ICs sehr kurze Reaktionszeiten voraus. Ebenfalls erforderlich ist eine äußerst hohe Präzision der Stromzuweisung.
Die Stromzuweisung kann entweder dynamisch, das heißt entsprechend der Leistungsaufnahme des Verbrauchers, oder statisch bzw. pseudostatisch erfolgen. Hierbei kommunizieren der Verbraucher und das PSE-Gerät über Hardware-Klassifikation oder über die neue Layer-2-Klassifikation des Entwurfs 3.2 des Standards IEEE802.3at. Die Abbildung Doppelte Power illustriert ein PSE mit zwei Stromversorgungen.
In einem zweiten Teil des Artikels werden wir auf die Energieeffizienz von PoE eingehen sowie Tipps für den Aufbau einer effizienten PoE-Infrastruktur geben. Darüber hinaus weitere spannende Aspekte von PoE beleuchten und erörtern. (hal)