У цій частині статті (початок див. В ЕК10) розглянуті переваги і недоліки сучасних технологій високошвидкісної передачі даних по високовольтних електромережах. Ці передові технології активно просуваються міжнародними та європейськими асоціаціями та альянсами - HomePlug Powerline Alliance, OPERA, UPA, HD-PLC і ін. Особливу увагу приділено пакету специфікацій HomePlug.
Системи управління і моніторингу стають все більш інтелектуальними і розгалуженими, вимагаючи все більшу пропускну здатність каналів зв'язку. Останнім часом широкого поширення набувають нові види інформаційного обміну, що використовуються в пристроях домашньої автоматики, комп'ютерних мережах малих і домашніх офісів, в розподілених системах охоронної, пожежної та іншої сигналізації, які також потребують розвиненій інфраструктурі мережі і інтелектуальних засобах взаємодії. У статті обговорюються переваги та недоліки деяких технологій передачі даних по високовольтних електромережах.
У статті розглянуто особливості двох сучасних цифрових інтерфейсів HDMI і DisplayPort, способи захисту інтерфейсних мікросхем від паразитних перехідних процесів, методи тестування і рекомендації щодо вирішення виниклих при тестуванні проблем. Обговорюються основні правила проектування пристроїв з використанням цих високошвидкісних інтерфейсів.
Одним з аспектів, що потребують ретельної інженерної проробки, став новий механізм класифікації, який дозволив би живильних та живиться пристроїв взаємно визначати один одного. Завдяки цій можливості PSE-обладнання забезпечує необхідну харчування не тільки PD-пристроїв стандарту 802.3.af (т.зв. обладнання першого типу), але і PD-пристроїв 802.3at (обладнання другого типу); PD-пристроїв 802.3.af - можливість отримувати живлення від PSE-обладнання 802.3at, а PD-пристроїв 802.3.at - встановити, чи є необхідний для них рівень потужності. Для кожної з цих комбінацій потрібно правильно визначити сумісний поведінку даних пристроїв для підтримки здатності до взаємодії в рамках стандарту 802.3. Можливість взаємного визначення пристроїв була реалізована в PoE + за допомогою ретельно продуманого механізму класифікації обладнання, а також нового механізму рівня даних.
У PoE + з'явилася класифікація по двом подіям, коли пристрій живлення двічі повторює перевірку за стандартом 802.3af. При кожному зондуванні питомого пристрої формується одиночний імпульс струму (див. Рис. 1), що відповідає певному рівню потужності.
Мал. 1. Класифікація за двом подіям і протокол канального рівня
Спочатку пристрій живлення генерує імпульс напруги в діапазоні 15,5 ... 20,5 В в двухпроводной лінії даних або резервної лінії. Живиться пристрій відповідає PSE імпульсом струму до 40 мА одного з чотирьох класів потужності. Подвійний імпульс є сигналом живиться пристрою про те, що підключений живить обладнання дійсно забезпечує рівні потужності, що підводиться відповідно до 802.3at.
Живиться пристрій стандарту 802.3at відповідає сигналом струму класу 4, повідомляючи живить пристрою про те, що потребує інжекції повної потужності. Метод класифікації рівня 1 в 802.3af передбачав необов'язковий для PSE запит PD-пристрої для визначення потреби в харчуванні. Однак в специфікації 802.3at PSE-обладнання другого типу зобов'язана виконувати класифікацію пристроїв як мінімум по одній події.
Удосконаливши метод класифікації обладнання, група розробників стандарту PoE + визначила класифікацію нового рівня даних (рівень 2) - протокол канального рівня (LLDP) для зв'язку між живильних та живиться пристроями. Після встановлення каналу зв'язку ці пристрої можуть використовувати LLDP для визначення потреби PD в харчуванні, а також для повторного запиту PSE-обладнанням PD-пристрої, визначення його статусу і потреби в харчуванні.
Цей механізм дозволяє живить обладнання в динамічному режимі призначати PD-пристроїв рівень потужності з кроком в 0,1 Вт, а ці пристрої можуть запитувати харчування, а потім відмовлятися від нього. Зв'язок на рівні 2 володіє додатковими функціями опитування такої інформації як пікова потужність, середня потужність і коефіцієнт заповнення. Важливість нової функції призначення рівня потужності важко переоцінити з точки зору зростаючих вимог до екологічності систем. Протокол LLDP є необов'язковим механізмом класифікації для PSE, але його необхідно реалізувати на PD. Якщо PSE-обладнання виконує тільки класифікацію по одній події, то PD може запитувати харчування більшої потужності по протоколу LLDP. На малюнку 1 показані обидва застосовуються в PoE + методу класифікації.
Відомі два типи живильних пристроїв: проміжні інжектори (Midspan) і кінцеві пристрої харчування (Endspan). Проміжні контролери (або інжектори потужності) вводять електроживлення в Ethernet-кабелі, розташовуючись між комутатором ЛВС (LAN) і живляться пристроєм PD. Проміжні інжектори забезпечують наскрізну передачу даних. Їх застосування доцільне для установки напруги обладнання в існуючі мережі, тому що при цьому не потрібно заміни комутатора.
Кінцевий пристрій харчування є комутатором з вбудованими функціями PoE, і тому його використання не вимагає проміжного інжектора. Кінцеві пристрої харчування застосовуються при побудові нових мереж з нуля. Оскільки у проміжних інжекторів є доступ тільки до рівня потужності, в PoE + вони використовують класифікацію за двома подій для запиту живлення великої потужності. Протокол LLDP використовує рівень даних, і тому контролери кінцевого пристрою харчування можуть зв'язуватися з живиться пристроєм за допомогою цього додаткового методу класифікації.
У PoE-систем є дві навантаження, для яких визначається потужність, - вихідний роз'єм живить обладнання і вхідний роз'єм живиться пристрої. Одним з найбільш значущих досягнень специфікації PoE + є збільшення струму до 600 мА. Це означає, що PSE-пристрій повинен забезпечити в безперервному режимі ток, по крайней мере, 600 мА при мінімальному вихідному напрузі 50 В, що відповідає потужності в 30 Вт. При розрахунковому опорі кабелю не більше 12,5 Ом на роз'ємі живиться пристрої досягається потужність величиною 25,5 Вт. З огляду на ефективність перетворення в 48-В шині, на вихідну PD-навантаження надходить потужність 24,6 Вт.
Зрозуміло, потреба в більшій потужності - вимога ринку, і в даний час вже з'явилася гостра необхідність в силових рішеннях PD, потужність яких перевищувала б пропоновані 12,95 Вт. Існує безліч мережевих пристроїв, які потребують більшої потужності харчування. Щоб вирішити це завдання, слід проектувати системи за допомогою нових живлять і живиться пристроїв стандарту PoE + (наприклад, компанії Linear Technology), які дозволяють вписатися в бюджет енергоспоживання в рамках нової специфікації і навіть підвищити споживану потужність в додатках власної розробки.
В даний час виробники обладнання PSE прагнуть якомога швидше встановити в мережі потужні порти PoE +. Для відновлення існуючого обладнання PSE відповідно до специфікації PoE + потрібні:
- магнітні компоненти, застосування яких при більшому струмі підмагнічування не викличе підвищення частоти помилок;
- новий контролер напруги обладнання з більш високим порогом пропускається струму;
- МОП-транзистори з більшою областю стійкої роботи (в залежності від використовуваного чіпа контролера);
- велика потужність споживання від енергомережі;
- модернізація таких компонентів як роз'єми, запобіжники, дроселі, захисні діоди від перенапруги, що виникає при перехідних процесах, токочувствітельние резистори і фільтри електромагнітних завад.
Магнітні компоненти і напівпровідники, використовувані в стандарті 802.3af, у багатьох випадках можна легко замінити еквівалентами 802.3at. Незважаючи на те, що при переході обладнання PSE від 802.3af до 802.3at в системі потрібно зробити безліч змін, ми розглянемо тільки ключовий компонент, який полегшує цей перехід, - контролер PoE + PSE.
LTC4266 компанії Linear Technology (див. Рис. 2) являє собою перший контролер PSE з чотирма портами, повністю сумісний з 802.3at і назад сумісний з популярним контролером LTC4259A, використовуваним в 802.3af. Він не тільки забезпечує живиться пристрої потужністю тих рівнів, які передбачає новий стандарт, але і назад сумісний з оригінальним стандартом PoE, дозволяючи спільно використовувати до чотирьох PD-пристроїв PoE і PoE + в різних комбінаціях. Як уже зазначалося, відповідно до специфікації 802.3at живить обладнання повинно забезпечувати вихідну потужність 30 Вт на роз'ємі PSE, так щоб після втрат в кабелі на живляться пристрій подавалося 25,5 Вт. Контролер LTC4266 забезпечує 30 Вт, володіючи значно меншою тепловіддачею.
Мал. 2. Чотириканальний PoE + PSE-контролер LTC4266 і PoE + PD-контролер LTC4269 з інтегрованим імпульсним стабілізатором
При проектуванні PSE наступного покоління важливо вибрати інжектор потужності більш високого рівня, що функціонує відповідно до новими механізмами класифікації і забезпечує надійну і ефективну роботу PoE-системи. Контролер LTC4266 має надзвичайно низьку тепловіддачу, що значно спрощує теплової розрахунок системи в порівнянні з PSE-контролерами, в яких використовуються менш міцні МОП-транзистори з зазвичай більш високим опором RDS (ON). LTC4266 підтримує зовнішні МОП-транзистори, і в разі збою в роботі порту через відмову МОП-транзистора не виникає ефекту доміно, в результаті якого припиняють функціонувати сусідні канали.
Висока точність LTC4266 дозволяє використовувати низькоомні токочувствітельние резистори і, що важливіше, МОП-транзистори з низьким значенням RDS (ON) при управлінні лінійними струмом і напругою. Мінімальне значення токочувствітельного резистора може становити 0,25 Ом, а RDS (ON) - 0,09 Ом, завдяки чому максимальна загальна опір каналу становить половину значення цього параметра у випадку з іншими PSE-контролерами. В результаті віддача тепла значно знижується, що дозволяє розробникам легко і з високою надійністю застосовувати LTC4266 без радіатора.
Розробники PSE-обладнання, які не бажають самостійно проектувати пристрої з нуля, мають можливість скористатися новими рознімними модулями PoETec PSE ICM (Integrated Connector Modules), які пропонує ряд постачальників, в т.ч. Molex, Tyco і Belfuse. Зокрема, пропонується елегантне 8- і 12-портове рішення з PSE-контролером LTC4266.
Перехід від стандарту 802.3af до 802.3at на стороні живиться пристрої можна частково спростити або звести до заміни декількох компонентів, оскільки до їх числа відносяться мостові випрямлячі, PD-контролер, DC / DC-контролер і трансформатор, що дозволяє дотриматися всіх вимог до навантаження по енергоспоживанню.
Питання тепловіддачі не стоїть так гостро для живиться пристроїв, на відміну від яке живить обладнання, але в першу чергу необхідно домогтися високої енергоефективності. Розробники також повинні вирішити питання про те, чи зможуть PD-пристрої працювати від допоміжного адаптера змінного струму, і чи потрібно ізоляція навантаження PD. Як і при модернізації PSE до стандарту PoE +, успішна реалізація живиться пристроїв у великій мірі залежить від PoE + PD-контролера.
Для максимального збільшення ефективності PD-пристрої необхідно вирішити ключові питання. Так, при реалізації ізольованою схеми не слід використовувати оптопари, які зазвичай застосовуються в колі зворотного зв'язку перетворювача. Найбільш важливим рішенням може стати вибір гнучкого PD-контролера, що дозволяє домогтися високого ККД рішення. Як еталон компанія Linear Technology наводить приклад мікросхеми LTC4269 з вражаючим ККД рівним 94% для ізольованих ланцюгів.
Будучи еквівалентом LTC4266 (див. Рис. 2), LTC4269 є повністю сумісний з IEEE 802.3at повнофункціональний контролер з вбудованим імпульсним стабілізатором і допоміжної підтримкою аж до 16 В. Не дивлячись на те, що стандарт 802.3at обмежує потужність значенням 25,5 Вт, у LTC4269 немає обмежень по току - контролер може споживати 30 Вт і більше, що дозволяє встановити власні рівні потужності і доступ до функцій PD-пристрої поза специфікації PoE +. Контролер має підвищену надійність за рахунок вбудованого 100-В МОП-транзистора з можливістю гарячої заміни, який ізолює PD-контролер і DC / DC-перетворювач при виявленні та класифікації, забезпечуючи також 100-ма пусковий струм для будь-якого PSE-обладнання.
На ринку пропонуються дві моделі LTC4269 для оптимізації PD-рішень. Різниця між ними полягає в перемикачах - до складу LTC4269 входить синхронний обратноходового контролер, тоді як в LTC4269-2 вбудований синхронний прямоходовой контролер. Обратноходового контролер дозволяє зменшити число застосовуваних компонентів і створити необхідну кількість виходів за рахунок додаткової обмотки. Прямоходовой контролер має трохи більш високий ККД, в порівнянні з обратноходового пристроєм, при великих токах навантаження.
В обох випадках синхронне детектування дозволяє підвищити вихідну потужність, ККД перетворення і поліпшити перехресну регулювання в додатках з великою кількістю висновків. Крім того, в тихих системах контролери синхронізуються з зовнішнім генератором. Слід зауважити, що в LTC4269-1 застосовується запатентована топологія зворотного зв'язку No-Opto компанії Linear Technology, що забезпечує повну ізоляцію відповідно до IEEE 802.3 без ланцюга оптопари [1].
Застосування оптопари тягне за собою такі недоліки як зворотний зв'язок, в т.ч. змінний коефіцієнт посилення замкнутої ланцюга, який визначається допустимим відхиленням параметрів оптопари, а також чутливість до високих температур і подорожчання рішення. Оптопару і паралельний стабілізатор в колі зворотного зв'язку замінюють додатковою обмоткою на трансформаторі, що дозволяє поліпшити стабілізацію, ККД і спростити схему.
PoE + передбачає велику потужність і кращі методи класифікації в уже існуючих мережах PoE. Для сумісності з цим стандартом інжектор повинен подавати 30-Вт потужність в лінії даних або резервні лінії, а PD-пристрій - споживати не більше 25,5 Вт на вході роз'єму RJ45. Сумісне з PoE + живильний пристрій має виконувати класифікацію обладнання по одній події; при цьому класифікація по двом подіям і класифікація рівня даних по протоколу канального рівня є необов'язковими механізмами.
PD-пристрій повинен відповідати на спробу виконати класифікацію по двом подіям (за допомогою PD-контролера) і по протоколу канального рівня (за допомогою PD-мікропроцесора). В даний час вже з'явилися сумісні з PoE + системи.