จ่ายไฟผ่านอีเธอร์เน็ตคู่เดียวเปิดมุมมองการใช้งานรูปแบบใหม่

ระบบจ่ายไฟผ่านอีเธอร์เน็ต (PoE) มีจำหน่ายมานานหลายปีในการจ่ายไฟผ่านสายอีเธอร์เน็ต แต่ความน่าดึงดูดถูกจำกัดด้วยระยะทางที่จำกัดไว้ที่ 100 เมตรหรือน้อยกว่า ณ เวลานี้ มีเทคโนโลยีใหม่ที่จะมาเปลี่ยนแปลงทุกสิ่ง นั่นคือ single-pair power over Ethernet (SPoE) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีมาตรฐาน IEEE ที่ช่วยให้สามารถส่งพลังงานและข้อมูลในระยะทางไกลได้โดยใช้คู่บิดเกลียวคู่เดียวภายในสาย Ethernet เปิดขอบเขตใหม่สำหรับ แอปพลิเคชั่นที่เป็นนวัตกรรมใหม่

อีเธอร์เน็ตเป็นที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ โดยใช้สายทองแดงบิดเกลียวสี่คู่เพื่อส่งสัญญาณข้อมูล โดยแต่ละคู่มีทิศทางการไหลของข้อมูลเพียงทิศทางเดียว โดยทั่วไปอุปกรณ์ที่ใช้อีเทอร์เน็ตจะต้องมีแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหาก ส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการเดินสายและการติดตั้งเพิ่มขึ้น

Power over Ethernet (PoE) ได้รับการพัฒนาให้เป็นส่วนขยายของมาตรฐาน Ethernet ทำให้อุปกรณ์สามารถรับทั้งข้อมูลและจ่ายไฟผ่านสายเคเบิลเดียวกันโดยใช้สายไฟสองคู่เพื่อส่งข้อมูลและอีกสองเส้นสำหรับจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์

PoE สามารถจ่ายไฟได้สูงสุด 90 W ในระยะทางสูงสุดไม่เกิน 100 m. ซึ่งทำให้เกิดแอปพลิเคชัน PoE เช่น กล้อง IP, จุดเชื่อมต่อไร้สาย, โทรศัพท์ VoIP และระบบไฟอัจฉริยะที่สามารถติดตั้งและจ่ายไฟผ่านสายเคเบิลเส้นเดียว อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากขีดจำกัดระยะทางแล้ว ปัญหาเกี่ยวกับ PoE อื่น ๆ ยังรวมถึงความต้องการตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลขนาดใหญ่และมีราคาแพงที่สามารถรองรับกระแสและแรงดันไฟฟ้าสูง การสูญเสียพลังงาน และการกระจายความร้อน

ขอแนะนำ SPoE

การใช้สายไฟเพียงคู่เดียวในการส่งทั้งข้อมูลและพลังงาน SPoE สามารถรับอัตราข้อมูลสูงสุด 1 Gbps และจ่ายไฟได้สูงสุด 52 W ผ่านความยาวสายเคเบิลสูงสุด 1 km (รูปที่ 1) โดยใช้ตัวเชื่อมต่อที่เล็กกว่าและคุ้มค่าและ สายเคเบิลที่เข้ากันได้กับซ็อกเก็ต RJ45 ที่มีอยู่

รูปที่ 1: ระบบ SPoE สำหรับส่งกำลังสูงสุด 52 W (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้วยต้นทุนที่ลดลงและการใช้งานที่ง่ายขึ้น SPoE จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรม ยานยนต์ ระบบอัตโนมัติในอาคาร และสภาพแวดล้อม IoT ซึ่งการติดตั้งสายเคเบิลใหม่หรือการใช้ LAN ไร้สายเพียงอย่างเดียวนั้นทำไม่ได้ในทางปฏิบัติ คุ้มต้นทุน หรือทั้งสองอย่าง . โดยมีระบบการตรวจวัดระยะไกลของระบบที่ครอบคลุมสำหรับการตรวจสอบสถานะการส่งพลังงาน การตรวจจับข้อผิดพลาด และการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน

ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม SPoE สามารถจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์และควบคุมอุปกรณ์ในระยะทางไกลโดยไม่ต้องเพิ่มแหล่งพลังงานในพื้นที่ ลดความซับซ้อนของโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย ลดต้นทุนการติดตั้ง และจัดให้มีการจัดการพลังงานจากส่วนกลาง สามารถใช้เพื่อจ่ายไฟผ่านสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตที่มีอยู่ ทำให้การเพิ่มสวิตช์ SPoE และจุดสิ้นสุดเป็นกระบวนการที่รวดเร็วและค่อนข้างง่าย

SPoE เป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐาน IEEE 802.3—IEEE 802.3 cg สำหรับอีเธอร์เน็ต 10 Mbps บนสายคู่บิดเดี่ยว (10Base-T1L)—เป็นส่วนขยายของมาตรฐาน IEEE 802.3bu, Power over Data Lines (PoDL) PoDL ใช้ในระบบสูงถึง 40 ม. และ 12, 24 หรือ 48 โวลต์ SPoE ใช้งานได้กับแรงดันไฟฟ้า 24 V หรือ 55 V สูงถึง 1,000 m.

SPoE เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการพลังงานต่ำถึงปานกลางและอัตราการส่งข้อมูลสูงในระยะทางไกล ซึ่งไม่สามารถทำได้หรือประหยัดสำหรับ PoE

การใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับ SPoE ได้แก่ :

• ระบบเทคโนโลยีการปฏิบัติงานที่การสื่อสารและการจ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมกระบวนการและระบบอัตโนมัติ
• ระบบอัตโนมัติของอาคารและโรงงานที่สามารถตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อมและเครื่องจักร
• เครื่องมือภาคสนาม เช่น เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ ที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างยืดหยุ่นยิ่งขึ้นและลดต้นทุนลง
• ระบบรักษาความปลอดภัย เช่น การควบคุมการเข้าถึงและการเฝ้าระวัง โดยที่ SPoE ปรับขนาดได้ง่ายกว่า
• ระบบจัดการจราจรที่ต้องการการทำงานและการเชื่อมต่อที่สม่ำเสมอ
• ขับเคลื่อนและจัดการอุปกรณ์ IoT Edge
• การส่งพลังงานระยะไกลสำหรับป้ายดิจิตอลและแสงสว่างกลางแจ้ง

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ SPoE

SPoE ใช้เทคนิค "พลังแฝง" เพื่อซ้อนสัญญาณพลังงานเหนือสัญญาณข้อมูลบนสายคู่เดียวกัน โดยต้องใช้ตัวควบคุมที่ซับซ้อนที่ปลายแต่ละด้านของสายเคเบิลเพื่อแยกและควบคุมสัญญาณพลังงานและข้อมูล การใช้งานยังต้องคำนึงถึงการสูญเสียพลังงานและการกระจายความร้อนไปตามสายเคเบิล ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบ

ตัวควบคุมอุปกรณ์จัดหาพลังงาน (PSE) ให้การจัดการพลังงานที่ซับซ้อนและการแปลงเพื่อให้แน่ใจว่าการจ่ายพลังงานมีความปลอดภัย เสถียร และมีประสิทธิภาพ ทำงานร่วมกับตัวควบคุมอุปกรณ์จ่ายไฟ (PD) ที่ได้รับพลังงานผ่านสายเคเบิล 2 เส้น

ตัวควบคุม PSE ที่ออกแบบมาสำหรับหลายช่องสัญญาณสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ระยะไกลต่าง ๆ เช่น เซ็นเซอร์ LTC4296-1 (รูปที่ 2) จาก Analog Devices, Inc. (ADI) เป็นตัวควบคุม SPoE 5 พอร์ตที่สามารถจ่ายพลังงานได้สูงสุด 5 โหลดใน 5 เส้น โดยแต่ละเส้นมีความยาวสูงสุด 1,000 m. ให้พลังงานโดยใช้ความต้านทานออนจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดภายนอกต่ำ (R_DS(ON){) ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะ-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) แบบ N-channel ซึ่งลดแรงดันไฟฟ้าตกให้เหลือน้อยที่สุดและรับประกันความทนทานในการใช้งาน

รูปที่ 2: ตัวควบคุมอุปกรณ์จัดหาพลังงาน (PSE) แบบ 5 พอร์ต LTC4296-1 จาก ADI (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

LTC4296-1 มอบโซลูชัน SPoE, PSE อเนกประสงค์สำหรับคอนโทรลเลอร์และสวิตช์ 10BASE-T1L และสามารถรวมเข้ากับส่วนประกอบพอร์ตโฟลิโอตัวรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L ของ ADI ได้อย่างง่ายดาย เช่น ADIN2111CCPZ-R7 อุปกรณ์ 2 พอร์ต ซึ่งรวมสวิตช์ แกนอีเธอร์เน็ตฟิสิคัลเลเยอร์ (PHY) สองตัวพร้อมอินเทอร์เฟซ MAC และวงจรแอนะล็อกที่เกี่ยวข้อง วงจรตรวจสอบแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า และวงจรรีเซ็ตการเปิดเครื่อง (POR) ตัวรับส่งสัญญาณให้การเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวควบคุมที่หลากหลายผ่านอินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม (SPI)

อีกด้านหนึ่งคือ LTC9111RDE#PBF เป็นหนึ่งในคอนโทรลเลอร์ PD หลายตัวจาก ADI ที่ให้ความสามารถช่วงการทำงาน 2.3 V ถึง 60 V พร้อมการแก้ไขขั้ว (รูปที่ 3) ตัวควบคุมจัดการการจำแนกประเภทและการตรวจสอบการส่งผ่านสาย โดยขับเคลื่อนสวิตช์ MOSFET N-channel ภายนอกสองตัวในระหว่างการจำแนกประเภทด้วยการทำงานของไมโครพาวเวอร์ เพื่อลดความต้องการตัวเก็บประจุสำรองให้เหลือน้อยที่สุด สวิตช์ MOSFET แบบ N-channel ภายนอกจะแยกความจุเอาต์พุตออกจากตัวเชื่อมต่อในระหว่างการจำแนกประเภทและการไหลเข้า

รูปที่ 3: ตัวควบคุม LTC4296-1 SPoE PSE เหมาะสำหรับการขับสูงสุด 5 ช่องสัญญาณ ซึ่งเชื่อมโยงกับตัวควบคุม LTC9111 PD ที่นี่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

คอนโทรลเลอร์ซีรีส์ LTC9111 จะแสดงลายเซ็นการปลุกที่ถูกต้องไปยัง PSE เพื่อขอพลังงาน ตัวควบคุม PSE และ PD ตามมาตรฐาน IEEE 802.3cg ดำเนินการขั้นตอนการจำแนกประเภทโดยใช้ Serial Communication Classification Protocol PSE ตรวจสอบให้แน่ใจว่า PD เข้ากันได้ และหากเป็นเช่นนั้น จะดำเนินการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของพอร์ตต่อไป หากอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำงานอยู่ต้องการแรงดันไฟฟ้าอื่นที่ไม่ใช่ 24 V หรือ 55 V จะใช้ตัวแปลง DC เป็น DC เพิ่มเติม

ADI ยังจัดให้มี EVAL-SPoE-KIT-AZ ชุดประเมินผลสำหรับการประเมินข้อมูล 10BASE-T1L และกำลัง SPoE ผ่านสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตคู่บิดเกลียว (SPE) เส้นเดียว ชุดนี้ประกอบด้วยตัวควบคุม PSE LTC4296-1 และ LTC9111 PD สำหรับการประเมินกำลังไฟ IEEE 802.3cg Class 10 ถึง 15 SPoE และเครื่องรับส่งสัญญาณ 10BASE-T1L เพื่อจัดเตรียมข้อมูลในระบบ

การใช้งานแอปพลิเคชัน SPoE

นักออกแบบผลิตภัณฑ์จำเป็นต้องปรับงบประมาณด้านพลังงานให้เหมาะสมและประสิทธิภาพของโซลูชัน SPoE โดยคำนึงถึงพารามิเตอร์ต่าง ๆ รวมถึงความยาวสายเคเบิล, เส้นผ่านศูนย์กลาง, ความต้านทาน, อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อม

การสร้างสมดุลระหว่างการส่งพลังงานกับการรับส่งข้อมูลผ่านคู่บิดเกลียวเดี่ยวทำให้เกิดความท้าทาย เช่น การรับรองว่ามีพลังงานเพียงพอสำหรับอุปกรณ์ระยะไกล ขณะเดียวกันก็รักษาความสมบูรณ์ของข้อมูลในระยะทางไกลที่อาจเกิดขึ้น

การจ่ายไฟบนสายเคเบิลยาวที่แรงดันไฟฟ้า 24 VDC ซึ่งพบได้ทั่วไปในการใช้งาน OT จำนวนมาก อาจสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากความต้านทานของสายเคเบิล SPoE ได้รับการระบุในมาตรฐาน IEEE 802.3cg เพื่อทำงานที่แรงดันไฟฟ้า 24 V หรือ 55 V ดังนั้นนักออกแบบจึงสามารถใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพการส่งพลังงานที่เพิ่มขึ้นใกล้กับแรงดันไฟฟ้าต่ำพิเศษด้านความปลอดภัยสูงสุด (SELV) ที่ 60 V

สรุป

SPoE เป็นเทคโนโลยีเกิดใหม่ที่ช่วยให้สามารถรับส่งข้อมูลและพลังงานได้พร้อมกันผ่านสายคู่บิดเกลียวคู่เดียวในสายอีเธอร์เน็ต ซึ่งสามารถลดต้นทุน ความซับซ้อน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย ตลอดจนให้ความยืดหยุ่น ความสามารถในการปรับขนาด และความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นสำหรับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ กลุ่มผลิตภัณฑ์คอนโทรลเลอร์ PSE และ PD ที่รองรับ IEEE 802.3cg ของ ADI ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบและการใช้งานแอปพลิเคชัน SPoE โดยมีประสิทธิภาพสูงและมีเสียงรบกวนต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับระบบอุตสาหกรรม ยานยนต์ และอาคารอัจฉริยะที่ต้องการการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้