Power overEthernetの基礎
Power over Ethernet（PoE）は、Power Sourcing Equipment（PSE）とPowered Devices（PD）の間のイーサネットケーブルを介して短距離（最大100メートル）のDC電力を転送します。
[編集者注：同じケーブルで電力とデータを配信する便利さは魅力的です。USBが多くの消費者向けデバイスのユビキタス電源になっているように、Power over Ethernet（PoE）は商用および産業用に複数の利点をもたらしますアプリケーション。この2部構成のシリーズの前回の記事では、これらのアプリケーションのいくつかにおけるPoEの役割について説明しました。 ]
全米防火協会（NFPA）によると、米国での商業火災の3番目に多い原因は電気および照明器具です。典型的な根本的な原因は、古いまたは欠陥のある配線、過負荷の回路、緩い接続、欠陥のあるヒューズ、不均衡な電気負荷、および他の多くの電気的または照明の問題です。これらは過熱につながる可能性があり、最終的に火事を引き起こす可能性のある火花をもたらす可能性があります。
主電源は、長距離および短距離のAC電力を、活線、中性線、およびアースの3本の絶縁銅線を介して伝送します。活線は交流電位差（120 VAC、または230 VAC）を運びます。中性線は回路を完成させ、アース電位または0Vに近い状態に保たれます。アース線は、障害が発生した場合に回路を接地する安全線です。要するに、ヒューズと回路ブレーカーとともに、主電源はその総銅の33％、アース線を安全に捧げます。
図1：2.5 mm2の単線銅線（左）の断面図、同じ縮尺の単線銅23 AWG CAT6ケーブル（右）の横（出典：イーサネットアライアンス）
Power over Ethernet（PoE）は、Power Sourcing Equipment（PSE）とPowered Devices（PD）の間のイーサネットケーブルを介して短距離（最大100メートル）のDC電力を転送します。 PoE規格に応じて、リターンパスを含めて最大8本の銅線を使用してDC電源を伝送します。つまり、PoEは銅を安全に捧げることはありません。哲学的および建築的に、PoE規格は安全制御を銅線（主電源）からシリコンに移します。ここには2つの利点があります。シリコンは銅よりもはるかに安価であり、シリコンをコーディングできます。銅線をコーディングすることはできません。
2ペアパワーと4ペアパワー
イーサネットは、8つの接点を備えたRJ45コネクタを使用します。これらは4つの差分（diff）ペアに分けられます（図2）。 10BASE-T（10 Mbps）および100BASE-TX（100 Mbps）ネットワークでは、使用可能な4つのdiffペアのうち2つだけがデータの転送に使用され、2つのペアは未使用のままになります。ギガビットイーサネット（1 Gbps）ネットワークでは、4つのdiffペアすべてがデータ転送に使用されます。
既存の10/100/1000イーサネットインフラストラクチャを活用して、350 mA /ペアで最大57Vを提供するIEEE802.3af（現在はPoEとして知られています）と600 mA /ペアで最大57Vを提供するIEEE802.3at（PoEとして知られています） 1）これらの未使用のペアを使用して電力を供給し、2つの代替モードを実装します。代替案AまたはB：
A.代替A（PSE）またはモードA（PD）は、電力をdiffに転送します。ペア2と3
B.代替B（PSE）、またはモードB（PD）は、電力をdiffに転送します。ペア1と4
一方、PoE 2、つまりIEEE 802.3btは、4つの差分すべてを使用して4ペアの電力で動作します。 960 mA /ペアで最大57までペアリングします。これにより、PSEで90ワットが達成されます。
図2：2ペアの電力と4ペアの電力
IEEE 802.3bt（90 W）分類
イーサネットアライアンスはさらに、図3に示すように、4つのタイプを8つの異なるクラスにスライスします。PowerSourcingEquipment（PSE）の場合、各PoE2クラス（5-8）は15 Wスライスであり、各PoE2クラスは11Wです。パワードデバイス（PD）のスライス。クラスとタイプのスライスを細かくすると、マルチポートPSEの効率が最適化され、特に接続されたPSEポートの数が増えるにつれて、接続されたPDにさまざまな電力が供給されます。
図3：IEEE802.3bt分類
IEEE 802.3af / at / bt電力プロビジョニングフェーズ
PSEとPD間のPoE電力プロビジョニングは、以下および図4に示す5つの異なるフェーズに従います。
- フェーズ1：検出
- フェーズ2：分類
- フェーズ3：スタートアップ
- フェーズ4：操作
- フェーズ5：切断
PSEには、PDによって実行される電流シンクを測定するためのリターン電流パスと直列のRsense抵抗が含まれています。 PDには25kのプルダウン署名抵抗もあり、これはPSEに検出を通知するために使用されます。
図4：PoE電力プロビジョニングフェーズ（出典：イーサネットアライアンス）
フェーズ1.検出
PSEとPDがイーサネットケーブルで接続されている場合、PDは25kΩのプルダウン抵抗（図4右）をPSEに提示します。次に、PSEは500ミリ秒のウィンドウ内で2つの電流測定を実行します。
1）V 2.8 Vを強制し、Iを測定します
2）V 10 Vを強制し、Iを測定します
∆V / ∆Iを計算することにより、PSEが19KΩから26.5ΩKまで測定した場合、PSEは検出を有効として受け入れることができます。それ以外の場合、PSEは検出を拒否する必要があります。差動測定を実行する利点は、周囲のノイズ（アグレッサー）が各測定に共通であるため、除去される（コモンモード除去）ことです。
フェーズ2.分類
分類フェーズ中に、PDは要求されたクラス署名または電力要件をPSEにアナウンスします。分類フェーズは、図5に示すように、5つのクラスイベントまたはタイムスロットに分割されます。
1）クラスシグネチャ0：1 mA〜4 mA
2）クラスシグネチャ1：9 mA〜12 mA
3）クラスシグネチャ2：17 mA〜20 mA
4）クラスシグネチャ3：26 mA〜30 mA
5）クラスシグネチャ4：36 mA〜44 mA
図5.PDによって生成されたクラス署名
この図は、PDクラス（1〜8）を識別するために、各クラスイベント（列）中に必要なクラス署名（行）を示しています。たとえば、クラス7 PDは、クラスイベント1で40 mA、クラスイベント2で40 mA、クラスイベント3〜5で18 mAを提供します。PSEは、PDのクラスを学習するために、各タイムイベント中にPDの電流シンクを測定します。
PSEは、以下の図6に示す電圧を強制する役割を果たし、PDは、クラスシグネチャと呼ばれる最大5つの異なる電流レベルをシンクする役割を果たします。
図6：クラスの署名と現在のレベル
自動分類
図5に示すように、クラスイベント1は他のクラスイベントよりも長くなっています。これは802.3btに固有であり、802.3atまたは802.3afの場合には当てはまりません。 PDも802.3btに準拠している場合、PDはクラスイベント1の81ミリ秒後にクラスシグネチャ0（1〜4 mA）に変更できます。これにより、PDも802.3btであり、オートクラスをサポートしていることが802.3btPSEに通知されます。
>PDがオンになった後、PDは最大1.2秒間最大電力を供給します。 PSEはPD電力を測定し、ある程度のマージンを追加します。これが、PSEによって提供される新しい最適化された電力レベルになります。
自動クラスは、PSEの電力割り当てを最適化します。たとえば、PDが動作中に最大65Wを必要とする場合、PDで65Wを保証するために、PDはPSEに対してクラス8として自身を識別します。 Autoclassがない場合、PDが65Wになるように、PSEは90Wを割り当てます。 Autoclassを使用すると、PSEは66.5 W（短いケーブル長）、+ 1.75Wマージン=68.25W割り当てのみを読み取ることができます。省電力は21.75W、つまり約25％です。これは重要ではないように思われるかもしれませんが、PSEスイッチに8つの802.3btポートがある場合、Autoclassは各ポートを（さまざまなケーブル長で）最適化して、合計で数百ワットの効率を節約できます。
フェーズ3：スタートアップ
起動フェーズ中、PSEは突入電流をクラス1〜4では450 mAに、クラス5〜8では900mAに制限する役割を果たします。
起動フェーズ中、PDは、負荷電流をクラス1〜6の場合は400 mA、クラス7〜8の場合は800mAに制限する役割を果たします。
フェーズ4〜5：操作、切断、MPS
Maintain Power Signature（MPS）は、PDが切断されていないことをPSEに通知するために、PDがPSEから周期的な電流パルスをシンクするキープアライブ機能です。 PSEが400ミリ秒後にPDからMPSを受信しない場合、PSEはPDへの電源を切断する必要があります。
IEE 802.3btPDアプリケーションのブロック図
図7は、受電装置（PD）の一般的な802.3btアプリケーション図を示しています。左から右に移動すると、トランスはイーサネット10/100/1000データを近くのプロセッサにAC結合します。全波整流は、従来のシリコンダイオードブリッジよりも消費電力が少ないGreenBridge™2によって実現されます。 ON Semiconductor ® のNCP1095 （ピン7）は、25kΩの検出プルダウン抵抗を示し、ピン2と3は、接続後の分類イベント中にPSEに通信されるクラス（抵抗値）によってPDの電力要件を決定します。ピン6、8、9、および10は、外部Rsenseおよびパスゲートを使用して突入電流および過電流保護（OCP）をまとめて制御します。コンパニオンプロセッサへの3ビット通信は、ピン13、15、および16で実行されます。ピン14 PGOピンは、電力出力が良好な場合にダウンストリームDCDCデバイスに通知します。ピン4は、NCP1095がローカル補助電源から電力を供給できるようにし、ピン6は、802.3btの新機能であるオートクラスを制御します。
図7：802.3btアプリケーション図
オン・セミコンダクターは、外部FETとRsenseの両方を統合するNCP1096コントローラーも提供しています。
シリコンをコーディングできます
ヒューズ、回路ブレーカー、およびアース線は、特にIEEE 802.3btの機能と比較した場合、電気火災を防止するための比較的鈍器です。分類、自動分類、突入電流、MPSなど、同社が提供する電力プロビジョニング機能ははるかに優れています。たとえば、主電源を使用すると、壁や天井に隠れている齧歯動物は、警告なしに簡単に電気火災を引き起こす可能性があります。対照的に、PDが400ミリ秒ごとにPSEにMPSを提供しない場合、PSEはPDへの電源を自動的に切断します。
計画外の切断をキャプチャするためにPSEをコーディングすることは容易に想像できます。これにより、IT部門に早期警告フラグがトリガーされ、建物の火災などの壊滅的なイベントが防止される可能性があります。一方、分類と自動分類は、負荷が必要とする正確な電力をインテリジェントに割り当てます。これは、電力を分配するための非常に安全で効率的な方法です。前述のように、シリコンは銅よりもはるかに安価であり、シリコンをコーディングすることはできますが、銅をコーディングすることはできません。
>>この記事は、もともと姉妹サイトのPowerで公開されました。エレクトロニクスニュース。
ボブカード オン・セミコンダクターのアドバンストソリューショングループ、南北アメリカのマーケティングマネージャーです。
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