Power over Ethernet（PoE）の基礎：データケーブルによるDC電力供給

Power over Ethernet（PoE）は、標準のEthernetケーブルを介して最大90WのDC電力を最大100メートルの距離まで供給する技術です。電力とデータを単一のケーブルインフラに統合し、商業、産業、エンタープライズ環境での設置を簡素化します。

編集部注：1本のケーブルで電力とデータを届けることは、モダンネットワークにとってゲームチェンジャーです。USBがコンシューマーデバイスで普及したように、PoEは接続インフラに対してスケーラブルで安全、コスト効率に優れたソリューションを提供します。

全米防火協会（NFPA）によると、電気および照明設備は米国の商業火災原因の第3位です。主な原因は経年劣化した配線、過負荷回路、緩んだ接続、不良ヒューズ、不均衡負荷などで、これらが過熱し火災を引き起こします。PoEの組み込み電力管理は、シリコンレベルで電圧、電流、負荷保護を制御することでこれらのリスクを軽減します。

商用電源とPoEの比較

商用電源は、活線（120Vまたは230V AC）、中性線（約0V）、アース（接地）の3本の絶縁導体で長距離AC電力を送ります。アース導体は総銅断面積の最大33%を占め、安全性に不可欠です。一方、PoEはEthernetケーブルの8本の導体を使用してDC電力を供給し、銅をデータ用に解放し、安全性をシリコン統合制御で処理します。

図1：2.5mm²商用電線と23AWG CAT6ケーブルの比較（出典：Ethernet Alliance）

2ペア給電 vs 4ペア給電

RJ45コネクタは4つの差動ペアに分かれた8つのコンタクトを提供します。10BASE-Tおよび100BASE-TXネットワークでは2ペアのみがデータ用に使用され、残り2ペアは未使用です。ギガビットEthernetでは全4ペアを使用します。PoEは未使用ペア（IEEE 802.3af）または全4ペア（IEEE 802.3bt）を活用して電力を供給します。

IEEE 802.3af（PoE）はペアあたり350mA、最大57Vで供給。IEEE 802.3at（PoE+）ではペアあたり600mA、依然として57V。IEEE 802.3bt（PoE 2）は全4ペアを使用し、各ペア960mAでポートあたり最大90Wに達します。

図2：2ペア vs 4ペア給電の比較

IEEE 802.3bt（90W）のクラス分類

Ethernet AllianceはPoE 2をさらに8つのクラス（5〜8）に細分化し、各クラスはPSE側で15Wスライス、PD側で11Wスライスを表します。この粒度の細かいアプローチにより、マルチポートPSEが各デバイスのニーズに基づいて効率的に電力を割り当てられます。

図3：IEEE 802.3btのクラスとタイプの内訳

PoE電力供給の5フェーズ

PoEは以下の5ステップのプロビジョニングサイクルに従います（図4参照）。

• 検出
• 分類
• 起動
• 動作
• 切断

PSEはRsense抵抗でPDの消費電流を測定し、PD側の25kΩプルダウン抵抗が検出を知らせます。

図4：PoE電力供給フェーズ（出典：Ethernet Alliance）

フェーズ1：検出

接続時に、PDの25kΩプルダウン抵抗がPSEに2回の電圧・電流測定（2.8Vと10V）を500ms以内に実行させます。ΔV/ΔI比を計算してPoE対応デバイスの存在を確認。有効な検出範囲は19kΩ〜26.5kΩで、範囲外ならPSEはデバイスを拒否します。

フェーズ2：分類

分類フェーズでは、PDが5回のタイムド「クラスイベント」で必要な電力クラスを通知。各イベントは特定の電流シグネチャに対応（例：Class 0: 1〜4mA、Class 1: 9〜12mA等）。PSEは各イベントでのPDのシンク電流を測定し、クラス（1〜8）を決定します。

図5：分類時に使用されるクラスシグネチャ

クラス決定後、PSEは適切な電圧レベル（図6）を印加し、電力割り当てを設定します。PoE 2デバイスでは、PDがクラスイベント1の後半で「クラス0」シグネチャに切り替えることでオートクラス対応を示し、PSEがデバイスのピーク消費を測定した後に電力供給を微調整できます。

図6：クラスシグネチャと電流レベル

オートクラスによる最適化

オートクラスにより、例えば65W必要なPDがClass 8として識別されると、PSEはデフォルトの90Wではなく66W強とわずかなマージンのみを割り当てます。8ポートスイッチ全体で最大200Wの節約が可能となり、安全性とエネルギー効率の両方を向上させます。

フェーズ3：起動

PSEはクラス1〜4で450mA、クラス5〜8で900mAに突入電流を制限。同時にPD側も負荷電流をクラス1〜6で400mA、クラス7〜8で800mAに制限し、電力立ち上げ時の両デバイスを保護します。

フェーズ4 & 5：動作 & 切断

動作中、PDは400msごとに小さな電流パルス（Maintain Power Signature、MPS）を周期的に引きます。PSEがMPSを受信できなければ、スタイル接続を防ぐため電力を切断します。

典型的な802.3bt受電デバイス（PD）アーキテクチャ

図7は典型的なPoE 2 PD回路を示します。AC結合トランスがEthernetインターフェースに給電し、GreenBridge™ 2整流器（従来のシリコンダイオードブリッジに代わる効率的な代替）を駆動。NCP1095コントローラ（ON Semiconductor）が専用ピンで検出、分類、突入電流、過電流保護を処理。オートクラス対応はピン6で有効化、ピン14が下流DC-DCコンバータへ出力準備完了を通知します。

図7：802.3btアプリケーション図（出典：ON Semiconductor）

ON Semiconductorは外付けFETとRsenseを統合したNCP1096も提供し、設計をさらに簡素化します。

シリコンが重要な理由

従来の防火安全デバイス（ヒューズ、ブレーカー、アース線）は受動的で、故障発生後にしか反応しません。PoEのシリコンベース制御（分類、オートクラス、突入電流制限、MPS）はリアルタイム監視と自動遮断を提供し、火災リスクを大幅に低減します。例えば、応答しないデバイスは早期に切断されるため、故障がエスカレートする前にITスタッフが調査できます。

さらに、シリコンは銅よりはるかに低コストでプログラマブルであり、従来の配線より柔軟でスケーラブル、かつ安全な電力供給ソリューションを実現します。

▶ この記事は元々Power Electronics Newsで公開されました。

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Bob Card氏はON Semiconductor、Advanced Solutions Group、Americas Marketing Manager。

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