Nouveaux produits injecteurs PoE pour une performance énergétique verte

L'alimentation par ethernet (PoE) telle que défini dans la norme IEEE802.3, s'est développée au cours des 16 dernières années en une technologie mature capable de fournir jusqu'à 100W d'alimentation CC à distance vers des appareils Ethernet dans des endroits où il n'est pas pratique de fournir une alimentation secteur CA, et une alimentation CA/CC isolée pour les appareils Ethernet. Les nouvelles avancées technologiques de Globtek permettent désormais aux réseaux PoE d'atteindre un haut rendement énergétique et de se conformer aux nouvelles réglementations d'alimentation externe du niveau VI du département de l'Énergie des États-Unis.

Mise en œuvre typique :

Le schéma ci-dessous montre un schéma typique d'injection à mi-portée pour l'alimentation par Ethernet PoE. Dans le diagramme, l'injecteur PoE, également appelé PSE, (pour l'équipement d'alimentation selon le lexique standard 802.3) alimente le courant continu et l'injecte dans les câbles Ethernet. Et le séparateur PoE, appelée aussi PD, (pour appareil alimenté par, selon le lexique standard 802.3) reçoit les communications ethernet et alimentation de l’injecteur.

L'énergie est transférée entre 40V et 57Vcc, ce qui permet une efficacité maximale, sans aucun danger pour la sécurité, comme la puissance de moins de 60 Vcc et 100W de puissance, est définie comme intrinsèquement sûr dans le Code électrique National (NEC) et est souvent appelée une LPS (Source d’alimentation limitée) dans la communauté de conformité de sécurité.

NOTE : dans la plupart des cas, le séparateur PoE est combiné avec l’appareil Ethernet final comme une caméra de sécurité ou un téléphone, toutefois dans ce travail le séparateur est théoriquement considéré comme distinct de l’appareil Ethernet.

Performance écologiques de l'alimentation Ethernet PoE :

Bien que la technologie PoE puisse afecter l’efficacité coût du système, en éliminant la nécessité d’alimenter directement l’appareil Ethernet, la consommation d’énergie de la distribution de puissance PoE tend à être plus élevés que d’autres solutions. Il y a consommation d'énergie dans l'injecteur, dans la perte de tension dans le câblage ethernet, et dans le séparateur. En outre, lorsque le système PoE est inactif, la perte de puissance due à une exposition prolongée peut également être importante. Le Département américain de l'énergie a publié des réglementations de performance énergétique des alimentations électriques externes en EPS 2.0 niveau d'efficacité VI. Les adaptateurs d'alimentation PoE semblent correspondre aux concepts de catégorisation détaillés dans la réglementation. Un problème de base pour la conformité à cette réglementation est de répondre à l'exigence de puissance maximale sans charge de 100 mW, en raison de la puissance continue consommée par le micro-contrôleur PoE. En utilisant une méthode propriétaire (brevet en instance), nous avons été en mesure de répondre à cette exigence de puissance sans charge de 100 mW, ainsi qu'à l'exigence d'efficacité moyenne de niveau VI, qui varie en fonction du niveau de puissance de sortie.

Rapport de puissance entre injecteur (PSE) et séparateur (PD) :

Avec l'introduction initiale de la norme PoE en 2003 (IEEE 802.3-af), la puissance de sortie était limitée à environ 12W à la sortie du séparateur. Plus tard avec la version 2009 (IEEE-802.3-at) de la norme ce niveau de puissance admissible a doublé . Les besoins en puissance de l'injecteur peuvent être déterminés en analysant l'efficacité perdue dans le séparateur et la chute de tension dans le câblage Ethernet. Typiquement, le séparateur aura une efficacité d'environ 80 %, et la chute de tension/puissance est typiquement de l'ordre de 85 % pour une installation de câblage ethernet dans le pire des cas (longue longueur). Par conséquent, à l’aide de ces valeurs, nous pouvons rapprocher les besoins en énergie à la sortie de l’injecteur comme suit :

12W x (1/80 %) x (1/85 %) = 17,65W

Et si le séparateur de sortie de puissance requise est 24W, la puissance à l’injecteur sera de 35,3W.

Globtek fait un injecteur de 18W et un injecteur de 36W, pour une puissance adéquate pour ces deux exemples typiques.

En outre, Globtek a un injecteur de 70W utilisant toutes les 4 paires (8 fils) du câblage ethernet, pour une utilisation avec alimentation CC des séparateurs fournissant jusqu'à 50W de puissance de sortie.

Chute de tension CC câble Ethernet

Comme tous les systèmes de transmission de puissance, il y a chute de tension attendue dans les câbles de transfert du pouvoir de l’injecteur PoE au séparateur PoE. Par conséquent, il est sage de comprendre la longueur de câble maximale attendue pour une installation spécifique. Gardez à l'esprit que la spécification 802.3 a une limite de 100M, basée sur l'intégrité de la communication série. La tension d'alimentation d'un injecteur Globtek PoE est de 56 V cc et la tension minimale d'un séparateur PoE typique est de 40 V cc. La chute de tension sur le câble doit donc être inférieure à 16Vcc pour un transfert de puissance efficace.

Vous trouverez ci-dessous un tableau montrant la chute de tension typique d'un câble Ethernet pour une transmission longue distance. Bien que la longueur de 100M soit indiquée sur le diagramme, la chute de tension pour les câbles de longueur plus courte ou plus grande est directement proportionnelle à la longueur du câble, et peut donc être facilement extrapolée à partir des données de tableau suivantes.

Note, si vous utilisez les 4 paires pour la puissance de transit, la chute de tension sera 2 fois plus basse. En outre, on peut voir que si la tension de la tête de l'injecteur est plus élevée, alors la perte de câble est moindre, car la tension à la fin du câble sera alors plus grande, ainsi le séparateur consommera moins d'énergie.

Injecteurs actifs et passifs

Bien que la norme IEEE 802.3 définisse le développement de produits PoE grand public, diverses méthodes de réduction du coût du PoE ont été développées à partir de divers fournisseurs d'équipements PoE. L'un des concepts les plus répandus non conformes à la norme 802.3 est le PoE passif. Les périphériques PoE entièrement compatibles avec la norme IEEE PoE sont généralement appelés périphériques PoE actifs. Pour transférer l'énergie à l'aide de la technologie PoE active, des signaux d'établissement de liaison de bas niveau sont communiqués entre l'injecteur et le séparateur. Ces signaux ont des exigences de temps, de tension, de résistance et de courant, et une séquence d'opérations est requise avant que l'injecteur et le diviseur soient entièrement en accord pour que la puissance puisse être transférée. Après l'activation de la distribution de puissance entre Injecteur et séparateur, les signaux d'établissement de liaison cessent, et les mêmes conducteurs utilisés pour les signaux de liaison sont alors utilisés pour la fourniture de puissance en utilisant la couche de liaison physique. Aux niveaux de puissance plus élevés (au-dessus de 50W) la couche de signaux de données est fondamentalement requise pour exécuter la fonction d'établissement de liaison, la DLL communique en utilisant le protocole série standard de communication numérique USB, comme n'importe quel périphérique Ethernet.

Les signaux d'établissement de liaison nécessitent un micro-traitement numérique pour fonctionner. Cela ajoute du coût, de la complexité et de la consommation d'énergie aux périphériques PoE. En utilisant une stratégie PoE passive, le coût et l'efficacité peuvent être augmentés dans le réseau PoE. Dans les appareils Ethernet déployés massivement tels que les caméras de sécurité à distance, une méthode de fourniture d'énergie à faible coût est une contrainte de conception importante. De plus, comme c'est souvent le cas avec les solutions idéales, la réduction des pertes peut en outre améliorer l'efficacité/la performance écologique du LCA (Life Cycle Analysis).

Les injecteurs PoE passifs peuvent alimenter tous les types de séparateurs indépendamment du type, ou protocole de signaux d'établissement de liaison.

Un autre avantage positif de PoE passif réside dans les nombreux séparateurs non conformes à la norme 802.3 utilisés dans la plage de puissance de sortie de 30W à 75W. Beaucoup de ces séparateurs sont incompatibles avec les injecteurs d'autres sociétés. En utilisant un injecteur passif pour une puissance élevée, ces incompatibilités de méthode d'établissement de liaison sont évitées. Cependant, il est essentiel de souligner que l'utilisation de la PoE passive au niveau de puissance le plus élevé autorisé par la norme 802.3 (100W) peut entraîner un risque de surintensité dans le système de câblage Ethernet.

La norme 802.3, exige que si une haute puissance est fournie par l'injecteur, le concept de 4 fils (utilisant 8 fils), équilibre la charge actuelle entre chacune des 4 paires, pour éviter le problème de surchauffe du câble Ethernet et atténuer les risques de sécurité. De plus, chacun des ensembles de 2 paires doit être protégé par des circuits limiteurs de courant séparés dans l'injecteur. Les exigences du circuit limiteur de courant 802.3, sont des limitations de courant rapide à des niveaux bien définis (selon la norme), qui préviendront essentiellement tout type de risque dans le câblage Ethernet. Par conséquent, si un injecteur PoE passif est utilisé, il est important que les paires de sortie aient une limitation de courant bien contrôlée. De préférence, 2 jeux de circuits de limitation de courant pour les 2 jeux de paires de conducteurs.

Versions de la norme PoE 802.3 :

IEEE 802.3af-2003 est la version originale de la norme ethernet qui incluait le PoE, cette version limitait la puissance disponible à 15,4W à l'entrée du séparateur, avec une puissance de sortie supposée du séparateur d'environ 12,5W. Notez que Globtek fabrique un injecteur classé 18W pour cette gamme d'applications de puissance de sortie.

En 2009, le standard PoE + ou PoE Plus a été conçu pour permettre plus de transfert de puissance à travers le câble Ethernet. Cette version est intitulée IEEE 802.3at-2009, et les appareils conformes à cette version de la norme peuvent fournir jusqu'à 25,5W à l'entrée du séparateur et une puissance de sortie supposée d'environ 21W. Cependant, avec l'utilisation d'un injecteur de plus grande puissance, tel qu'un modèle Globtek 36W, le répartiteur peut fournir une puissance de sortie de 25W, en supposant un facteur d'efficacité de 0,85 pour le câble CAT et un facteur d'efficacité de 0,80 pour la conversion de puissance.

Suite à la version 2009 de la norme, la livraison de puissance plus élevée était effectuée par divers fabricants d'injecteurs utilisant des techniques propriétaires, utilisant les 8 conducteurs du câble. Finalement, en 2012, il y a eu une tentative de standardiser les nouvelles méthodes pour permettre à l'injecteur de délivrer jusqu'à 100W, à condition qu'il puisse également être conforme aux critères LPS (Low Power Source) des normes IEC 60950-1 et UL 1310.

Afin de permettre aux routeurs PoE multi-ports utilisant l'injection terminale d'avoir une méthode précise pour évaluer la puissance totale à consommer par les différents périphériques PoE, il a été décidé que la norme PoE serait modifiée pour inclure les communications série numériques des matrices d'informations entre l'Injecteur et le séparateur, pour définir précisément la puissance disponible (à partir de l'injecteur) et la puissance requise (à partir du séparateur). Cette communication série se produit sur la couche de liaison de données. La méthode plus ancienne et moins puissante utilisait la couche physique, qui était une méthode beaucoup plus simple et moins précise d'établissement de liaison entre Injecteur et séparateur.

La version 2012 de la norme (appelée IEEE 802.3-2012) définissait également formellement la méthode ci-dessus pour fournir jusqu'à 100 W de puissance au répartiteur en utilisant les 8 fils pour la fourniture de puissance CC, tandis que les mêmes 8 fils sont utilisés simultanément pour les communications haute vitesse de gigabit de données. (Notez les versions antérieures de la norme 802.3 autorisaient seulement l'utilisation de 4 des 8 fils pour la transmission de puissance).

Offres de produits PoE Globtek novembre 2016 :

Tous les injecteurs sont évalués pour l’entrée 90-264 VCA et ont des brevets internationaux de conception écologique, conformes aux exigences de niveau VI d'efficacité DoE pour les deux puissance sans charge sur consommation et efficacité moyenne 4 point.

Tous les produits ont une entrée 90-264Vca et une sortie nominale de 56Vcc de tension à l’injecteur, il y a 3 classes de puissance fondamentale/versions : < /p >

Les 18W, 36W utilisent les boîtiers en plastique de même taille physique. Il existe deux options de format mécanique :

1. Configuration du bureau, avec onglets/ailes de montage mural intégral
2. Prise murale directe, avec fiches CA modulaire/remplaçable

Le logement plastique 70W est plus grand et est uniquement disponible dans une configuration de logement de bureau.

Les produits de logement de bureau ont une capacité d’entrée IEC320 en option, ainsi que de classe I ou classe II.

Entrées : C6, C8, C14 (standard) et C18.

Tous les modèles sont disponibles avec méthode alimentation active ou passive.

La série 18W est également disponible avec 18Vcc, 24Vcc, 36Vcc ou 48Vcc de sortie en configuration passive, pour les courtes longueurs de câble d'alimentation dédiée des appareils spécialisés à l’aide de câbles ethernet. < /p > Download PDF
Sept 16, 2016
Globtek
David Love, Leader of Northvale Design Center

Power over Ethernet (PoE) as defined in the IEEE802.3 standard, has developed over the last 16 years into a mature technology capable of supplying up to 100W of remote DC power to Ethernet Appliances in locations where it is not practical to provide AC mains power, and an isolated AC/DC power supply for the Ethernet Appliance. New technological advances by Globtek now allow high Energy Efficiency performance from PoE networks, and compliance with the new US Department of Energy (DoE) Efficiency Level VI External Power Supply regulations.

Typical Implementation:

The diagram below shows a typical mid-span injection scheme for PoE. In the diagram the PoE Injector, also referred to as PSE, (for Power Supply Equipment as per the 802.3 standard lexicon) supplies the DC Power and injects it onto the ethernet cables. And the PoE Splitter, also referred to as PD, (for Powered Device, as per the 802.3 standard lexicon) receives the power and ethernet communications from the injector.

Power is transferred at between 40V and 57Vdc, which allows for maximum efficiency, without any safety hazard, since power less than 60Vdc and 100W power limiting, is defined as inherently safe in the National Electric Code (NEC), and is often referred to as an LPS (Limited Power Source) in the safety compliance community.

NOTE: In most cases, the PoE Splitter is combined with the final Ethernet appliance such as a security camera or a telephone, however in this paper the Splitter is theoretically considered separate from the Ethernet appliance.

Green Energy Performance PoE:

Although PoE technology can enable system cost efficiencies, by eliminating the need to provide power directly at the Ethernet appliance, the energy consumption of the PoE power distribution tends to be higher than other solutions. Energy consumption exists in the Injector, ethernet cabling voltage drop, and in the Splitter. Additionally when the PoE system is in an idle state, power loss through extended time exposure also can be significant.

The US Department of Energy has issued energy performance regulations of External Power Supplies in EPS 2.0 Efficiency Level VI. PoE power adapters appear to fall within the categorization concepts detailed within the regulations. A basic problem for compliance with this regulation is meeting the 100mW maximum No Load power requirement, due to the continuous power consumed by the PoE Micro-Controller. Using a proprietary (patent pending) method we have been able to meet this difficult 100mW No Load power requirement, as well as the Level VI Average Efficiency requirement, which varies as a function of the output power level.

Power Rating Relationship between Injector (PSE) and Splitter(PD):

With the original introduction of the PoE standard in 2003 (IEEE 802.3-af), output power was limited to about 12W from the Splitter output. Later with the 2009 (IEEE-802.3-at) version of the standard doubled this allowable power level. Power requirements of the Injector, may basically be determined by analyzing the efficiency lost in the Splitter, and the voltage drop in the ethernet cabling. Typically the Splitter will have an efficiency of roughly 80%, and the voltage/power drop is typically in the range of 85% for a worst case (long length) ethernet cabling installation. Therefore, using these values, we can approximate the power requirement at the output of the Injector as follows:

12W x (1/80%) x (1/85%) = 17.65W

And if the Splitter output power requirement is 24W, the power at the injector will be 35.3W.

Globtek makes an 18W Injector and a 36W Injector, for adequate power for these two typical examples.

Additionally, Globtek has a 70W Injector using all 4 pairs (8 wires) of the ethernet cabling, for use with supplying DC power for Splitters supplying up to 50W of output power.

DC Voltage Drop in Ethernet Cable

Like all power transmission systems, there is expected voltage drop in the wires transferring power from the PoE Injector to the PoE Splitter. Therefore, it is wise to understand the maximum expected cable length for a specific installation. Bear in mind, that the 802.3 specification, has a limit of 100M specified, based upon the serial communication integrity. The feed voltage on a Globtek PoE Injector is 56Vdc typical , and the minimum voltage on a typical PoE Splitter is 40Vdc. Therefore voltage drop on the cable needs to be less than 16Vdc for effective power transfer.

Below is a table showing the typical DC voltage drop in an Ethernet cable for a long distance power transmission. Although 100M length is marked on the diagram, the voltage drop for shorter or longer length cables is directly proportional to the length of the cable, and so may be easily extrapolated from the following table data.

Note, if using all 4 pairs to transit power, the voltage drop will be 2X lower. Additionally, it may be seen that if the head voltage from the Injector is higher, then the cable loss is less, since then the voltage at the end of the cable will be greater, thus the splitter will draw less power.

Active and Passive Injectors

Although the IEEE 802.3 standard defined mainstream PoE product development, various methods to reduce the cost of PoE have been developed from various PoE equipment providers. One of the most prevalent non-802.3 compliant concepts is Passive PoE. PoE Devices which are fully compliant with the IEEE PoE standard are typically referred to as Active PoE devices. In order for power to be transferred using Active PoE technology, low level handshaking signals are communicated between the Injector and the Splitter. These signals have time, voltage, resistance and current requirements, and there is a sequence of operations required before the Injector and Splitter are in complete agreement that power can be transferred. After activation of power delivery between Injector and Splitter, handshaking signals cease, and the same conductors used for the handshaking and now used for the power delivery using the Physical Link Layer. At higher power levels (above 50W) the Data Link Layer is fundamentally required to perform the handshaking function, the DLL communicates using standard USB digital communication serial protocol, same as any ethernet device would use.

The handshaking signals require digital micro-processing in order to function. This adds cost, complexity and power consumption to the PoE devices. By utilizing a Passive PoE strategy, the cost and efficiency may be increased in the PoE network. In massively deployed ethernet appliances such as remote security cameras, a low cost method of power delivery is an important design constraint. Additionally, as is often the case with ideal solutions, reducing waste, can in addition improve LCA (Life Cycle Analysis) green efficiency/performance.

Passive PoE Injectors, can power all types of Splitters regardless of type, or handshaking protocol.

Another area of positive benefit of Passive PoE is the many proprietary non-802.3 compliant splitters used in the 30W to 75W output power range. Many of these splitters are incompatible with injectors from other companies. By using a Passive injector for high power, these handshaking method incompatibilities are prevented. However, it is critical to point out that the use Passive PoE at highest power level permitted by the 802.3 standard (100W) can have associated with it some risk of overcurrent in the ethernet cabling system.

The 802.3 standard, requires that if high power is delivered from the injector, the 4 wire pair concept (using 8 wires), balance out the current load between each of the 4 pairs, to prevent ethernet cable heating issue, and mitigate safety risk. Additionally, each of the sets of 2 pairs is required to be protected by separate current limiter circuits in the Injector. The 802.3 current limiter circuit requirements, are fast current limiting at well-defined levels (as per the standard), which will essentially prevent any sort of risk in the ethernet cabling. Therefore if a passive PoE Injector is used, it is important that the output pairs have well controlled current limiting. Preferably, 2 sets of current limiting circuits for the 2 sets of pairs of conductors.

Versions of the 802.3 PoE Standard:

IEEE 802.3af-2003 is the original version of the ethernet standard which included PoE, this version limited available power to 15.4W at the input to the splitter, with an assumed output power from the splitter of approximately 12.5W. Note, Globtek makes an 18W rated injector for this output power application range.

In 2009 the PoE+ or PoE Plus standard was devised as a way of allowing more power transfer thru the ethernet cable. This version is titled IEEE 802.3at-2009, and devices compliant with this version of the standard may provide up to 25.5W at the input to the splitter, and an assumed output power of approximately 21W. However with the use of a higher power injector, such as a Globtek 36W model, it is possible for the splitter to provide 25W of output power, assuming a 0.85 efficiency factor for the CAT cable, and a 0.80 efficiency factor for the splitter power conversion.

Following the 2009 version of the standard, higher power delivery was being done by various Injector manufacturers using proprietary techniques, utilizing all 8 conductors of the cable. Eventually in 2012 there was an attempt to standardize the newer methods to allow up to 100W to be delivered form the injector, providing it could also comply with the LPS (Low Power Source) criteria in IEC 60950-1 and UL 1310.

In order to allow multi-port PoE enabled routers using end-point injection to have an accurate method to gauge the total power to be consumed by the various PoE devices, it was decided that the PoE standard would be modified to include digital serial communications of matrixes of information back and forth between the Injector and Splitter, to precisely define available power (from the injector) and required power (from the splitter). This serial communications is occurring on the Data Link Layer. The older, lower power method used the Physical Layer, which was a far simpler and less precise method of handshaking between Injector and Splitter.

The 2012 version of the standard, (referred to as IEEE 802.3-2012) also formally defined the above method of supplying up to 100W of power to the splitter by utilizing all 8 wires for DC power delivery, while simultaneously using the same 8 wires for high speed Gigabit data communications. (Note the earlier versions of the 802.3 standard allowed only 4 of the 8 wires to be used for power transmission.)

Globtek PoE Product Offerings November, 2016:

All Injectors rated for 90-264Vac input, and have International Patent Pending Green Design, compliant to DoE Efficiency Level VI requirements for both No Load power consumption and 4 point Average Efficiency.

All products have a 90-264Vac input, and a 56Vdc nominal output voltage at the injector, there are 3 fundamental power classes/builds:

The 18W and 36W use the same physical size plastic housings. Two mechanical format options exist:

1. Desktop configuration, with integral wall mounting tabs/wings
2. Direct Wall Plug-in, with modular/replaceable AC country plugs

The 70W plastic housing is larger, and is only available as a desktop configuration housing.

Desktop housing products have optional IEC320 inlet capability, as Class I or Class II.

IEC 320 inlet types: C6, C8, C14 (standard) and C18.

All models are available as either Active or Passive power delivery method.

The 18W series is also available with 18Vdc, 24Vdc, 36Vdc or 48Vdc Passive Configuration output, for dedicated short length cable powering of specialized devices using ethernet cabling.