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Lo qué todo ingeniero debería saber sobre IEEE 802.3bt PoE

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El estándar IEEE 802.3bt, aprobado el 27 de septiembre de 2018 por el IEEE-SA Standards Board, permite aumentar significativamente la potencia suministrada a través de Ethernet.

En este artículo se analizará su importancia y cómo pueden los ingenieros de desarrollo aprovechar el potencial que supone.

Lo qué todo ingeniero debería saber sobre IEEE 802.3bt PoE
Riley Beck, director de marketing de producto en ON Semiconductor

La alimentación a través de Ethernet (Power over Ethernet, PoE) es una función de la red definida por los estándares IEEE 802.3af y 802.3at. PoE permite que los cables Ethernet suministren alimentación y datos simultáneamente a los dispositivos de la red a través de una conexión de datos existente.

¿Por qué seguimos utilizando conexiones por cable cuando existen arquitecturas de redes inalámbricas fácilmente disponibles? Si bien la conectividad inalámbrica es práctica, hay muchos millones de kilómetros de cable Cat5e instalado en edificios y viviendas totalmente operativos, el cable es más difícil de piratear o interceptar que la red inalámbrica (las redes empresariales y universitarias son por cable en su gran mayoría) y las grandes instalaciones de cable ofrecen un coste bastante reducido.

Si tiene un edificio hecho de ladrillos, piedra y metal en muchos casos necesitará mucha suerte para obtener una buena señal inalámbrica (el 5G mejorará la cobertura en espacios interiores, pero no se podrá desplegar por completo hasta dentro de algún tiempo). En cambio, quien deseara acceder indebidamente a la señal de un cable Ethernet tendría que cortarlo. Además, las señales inalámbricas son alteradas más fácilmente por parte de otras señales y ondas de radio, mientras que el cable a menudo está blindado y es de tipo “plug and play” (conectar y listo), con el añadido adicional de una mejor calidad de servicio (Quality of Service, QoS).

Arquitectura de un sistema IEEE 802.3bt

La arquitectura del sistema utiliza una fuente de alimentación (Power Sourcing Equipment, PSE), que es un controlador que suministra alimentación a través del cable a cada dispositivo alimentado (Powered Device, PD). El estándar IEEE 802.3bt indica que “Un PD es la parte de un dispositivo que consume o solicita potencia a través de un algoritmo de detección del PD. Un dispositivo capaz de convertirse en un PD puede tener la capacidad de consumir potencia procedente de una fuente de alimentación alternativa. Un PD que se alimente a través de la interfaz de potencia (Power Interface, PI) podría alimentarse simultáneamente desde una fuente alternativa”. Los PD típicos son dispositivos como por ejemplo un teléfono IP, un punto de acceso inalámbrico, una cámara de seguridad, etc., que se alimenten mediante un cable Ethernet. El PI es la interfaz mecánica y eléctrica entre la PSE o el PD y el medio de transmisión. Así se define en el estándar IEEE802.3bt dentro de la sección 1.4.324 (“PD PI Current Definitions”).

Las versiones anteriores del estándar PoE solo utilizaban cuatro de los ocho conductores del cable Ethernet para transportar la corriente continua (DC); en cambio, el grupo de trabajo del IEEE optó por los ocho conductores para 802.3bt. La Revisión 2 de IEEE Std 802.3bt-2018 establece que “Esta revisión añade alimentación mediante los cuatro pares al cableado estructurado, lo cual da como resultado una mayor potencia disponible para los dispositivos finales. Esta revisión también permite reducir el consumo en reposo en los dispositivos finales e incorpora un mecanismo para gestionar mejor la potencia disponible”.

El comité de estandarización IEEE tenía como objetivo incrementar la potencia entregada por la PSE al PD. Estos niveles de potencia nominal llegan hasta los 71,3W suministrados al PD (la PSE suministra 90W) y reducen significativamente la potencia en reposo que necesitan los PD cuando están inactivos.

La función Autoclase

El estándar IEEE 802.3bt (sección 145.8.8.2) tiene una extensión opcional de la clasificación de Capa Física denominada Autoclase. Cuando se activa esta función la PSE determina la potencia máxima consumida por los dispositivos PD conectados. La Autoclase se define únicamente para los PD que disponen de una “firma” (signature) única (definiremos “firma única” más adelante).

Cuando la PSE implementa la Autoclase, medirá PAutoclase cuando llegue a POWER_ON mientras pd_autoclase sea CIERTO. Vea la sección de este artículo titulada “Un ejemplo de 802.2bt en el peor de los casos”, que describe un caso que no llega a la potencia total enviada al PD. La Autoclase corregirá esta situación cuando se active. Para más información, lea el artículo de Embedded Computing Design titulado ”Optimizing PoE Output Power Through Autoclass”

Firma única y firma doble

IEEE 802.3bt trae consigo dos nuevas topologías de PD denominadas firma única y firma doble. El PD de firma única tiene la misma clasificación (Maintain Power Signature, MPS) y firma de detección entre ambos pares. El PD de firma doble tiene firmas diferentes e independientes entre ambos pares. El estándar 802.3bt ofrece capacidad de diferenciación para identificar la diferencia entre una conexión a PD de firma única o doble mediante la incorporación de una Comprobación de Conexión.

El PD de firma doble necesitará dos interfaces de PD en paralelo porque esta topología necesita dos juegos de pares distintos. La potencia de cada PSE se suma tras cada interfaz de PD. Dado que esta solución es más costosa, es posible que los ingenieros opten por una solución de firma única que costaría la mitad. Pensemos por ejemplo en una cámara de vigilancia con firma doble en la que un par esté conectado a la cámara y el otro par a un calefactor o a un motor pan/zoom.

El PD también necesitará generalmente un transformador para cada par de datos procedente de la PSE (para GB Ethernet, ver la Figura 1 donde Vpd,B podría ser para 10/100Base-T), un rectificador de puente activo, un controlador de interfaz para PD 802.3bt y un convertidor CC/CC. También se estima que diodos Schottky, resistencias y condensadores son posibles componentes adicionales del PD.

Figura 1. Esquema de aplicación en un PD de 802.3bt con los rectificadores de puente FDMQ8205A y el controlador de interfaz PoE-PD NCP1096 de ON Semiconductor para IEEE 802.3bt. (Imagen cortesía de ON Semiconductor).
Figura 1. Esquema de aplicación en un PD de 802.3bt con los rectificadores de puente FDMQ8205A y el controlador de interfaz PoE-PD NCP1096 de ON Semiconductor para IEEE 802.3bt. (Imagen cortesía de ON Semiconductor).

La Figura 2 ilustra cómo los PD de Tipo 4 y Clase 8 pueden tomar un máximo de 71,3W. Dado que la tensión mínima permitida por la PSE es de 52V, y que la resistencia en el canal con el peor soporte es de 6,25 ohmios, circulará una corriente de 1,73A por el cable.

Figura 2. Un canal en el peor de los casos con6,25 ohmios cuya carga tiene una potencia constante de 71,3W (Clase 8). La corriente nominal más alta que puede circular en un sistema compatible es de 1,73A o 0,433A por conductor. (Imagen cortesía de la   Referencia 2).
Figura 2. Un canal en el peor de los casos con 6,25 ohmios cuya carga tiene una potencia constante de 71,3 W (Clase 8). La corriente nominal más alta que puede circular en un sistema compatible es de 1,73 A o 0,433 A por conductor. (Imagen cortesía de la Referencia 2).

Problemas potenciales en el PD y posibles soluciones/mitigación para el diseñador

controlador de interfaz PoE-PD NCP1096 de ON Semiconductor para IEEE 802.3bt
Controlador de interface PoE-PD NCP1096 de ON Semiconductor para IEEE 802.3bt

El estándar IEEE 802.3bt indica que “El PD es especificado en el punto de conexión física al cableado.

No se especifican características como pérdidas ocasionadas por los circuitos de corrección de tensión, ineficiencias de la fuente de alimentación, separación de los circuitos internos respecto a la toma de tierra externa u otras características inducidas por los circuitos tras el conector del PI. Los límites definidos para el PD se especifican en el PI, no en ningún punto interno del PD, a menos que se indique de forma concreta”.

Estos son algunos aspectos que debería tener en cuenta el diseñador para diseñar una arquitectura verdaderamente robusta:

  1. Desequilibrio de corriente provocado por otros dispositivos en el canal (diodos, transformadores, etc.) entre la PSE y el PD. Si el diseñador tiene en cuenta este desequilibrio puede aplicar técnicas imaginativas para mitigarlo. Esto dependerá de la arquitectura del diseño. Algunas reglas fiables son recurrir a un buen plano de masa y a pistas anchas de retorno de masa que transporten corrientes elevadas.
  2. Desequilibrio de corriente entre pares en cableado Ethernet. El problema en este caso reside en que los proveedores de cable raramente comprueban u ofrecen especificaciones de desequilibrio entre pares a los diseñadores, sino que indican tan solo el desequilibrio dentro de un par.
  3. Atención al calentamiento del cable. Suele haber muchos datos disponibles sobre el calentamiento del cable, pero los diseñadores necesitan tener controlado el aumento de la temperatura. El grupo de trabajo del IEEE determinó que dicho límite debería ser inferior a 10°C. Utilizaron un flujo de 300mA en todos los conductores de cable, equivalente al suministro de unos 51W de potencia al final de cada tramo de cable de 100m sin desequilibrio. Los diseñadores pueden probar algunas soluciones como utilizar cable de una resistencia inferior para disminuir las pérdidas I2R, emplear menos cables en cada mazo o utilizar para PoE solo una parte de los pares dentro de un mazo de cables.
  4. Existe una relación no lineal entre la potencia suministrada al PD (los PD son una carga de potencia constante) y la salida de alimentación de la PSE. Cada PD tiene sus propias necesidades de alimentación. Una mayor demanda de corriente del PD implica una mayor caída de tensión en el cable con pérdidas IR. El PD obtiene una tensión inferior a la que necesita, por lo que pide más corriente. Por lo visto, utilizar una tensión más alta en el PD con una menor corriente estabiliza este efecto. Para mantener la seguridad, limite la tensión de la PSE por debajo de su máximo de 57V.

La manera correcta de determinar la disipación de potencia (calentamiento) de un cable determinado consiste en utilizar un disipador de potencia constante como carga y una fuente de tensión como alimentación de entrada2.

Algunos análisis sobre el calentamiento de cables comprobarán mazos de cables a 2,0A. Por tanto, si se utiliza un cable 24AWG ello dará como resultado una densidad de potencia en el cable de 164 mW/m. La densidad de potencia es la potencia disipada en el cable por unidad de longitud, de manera que:

164 mW/m = ((2,0A)2x 4,09 ohm)/100m)

en donde Rch se basa en la resistividad del cobre sólido de 24 AWG a 20 °C

Figura 4. El canal es un cable de par trenzado sin blindaje (UTP) 24 AWG y la carga es constante de 2,0A. (Imagen cortesía de la Referencia 2).
Figura 4. El canal es un cable de par trenzado sin blindaje (UTP) 24 AWG y la carga es constante de 2,0A. (Imagen cortesía de la Referencia 2).

Figura 4. El canal es un cable de par trenzado sin blindaje (UTP) 24 AWG y la carga es constante de 2,0A. (Imagen cortesía de la Referencia 2).

Pruebas de PD

Si un fabricante tiene una tarjeta de demostración o un diseño de referencia, sugerimos utilizarla siempre en su aplicación. Con el objetivo de diseñar estas tarjetas se ha recurrido a las técnicas adecuadas de enrutamiento y conexión de masa con el fin de obtener las mejores prestaciones de la arquitectura empleada. El fabricante suele proporcionar asimismo los archivos Gerber, es muy conveniente utilizarlos en su diseño. Estas sugerencias reducirán la necesidad de realizar muchas pruebas en el diseño final.

Para pruebas en la fase de producción, así como para probar sistemas PoE existentes, existen soluciones adecuadas como el comprobador PoE5 100 W PoE o el comprobador de producción RT-PoE5 IEEE 802.3bt Power-over-Ethernet PSE, ambos de Reach Technology. El InterOperability Laboratory de la Universidad de New Hampshire es el centro externo de pruebas en exclusiva para pruebas de certificación PoE. Sifos Technologies dispone del nuevo PowerSync Analyzer compacto para IEEE 802.3bt PoE, que será de ayuda para pruebas de 4 pares. Utilizar estas soluciones en la fase de test contribuirá a aumentar la robustez del sistema.

Resumen sobre el IEEE 802.3bt

Este artículo ha tratado de explicar la utilidad de PoE y IEEE 802.3bt, explicando conceptos como PD y PSE, así como sus puntos fuertes y sus limitaciones para una adecuada transmisión de señal y de potencia, junto con un mejor conocimiento del estándar y sus características mejoradas para sistemas PoE.

La ventaja más importante del estándar IEEE 802.3bt, como se ha destacado en este artículo, es que permite que los diseñadores suministren una potencia mucho más elevada al PD, así como opciones de energía más versátiles.

El artículo también ha ofrecido razones para utilizar el cable en un mundo inalámbrico ya que de esta forma se mejora la seguridad además de aumentar la previsibilidad y la fiabilidad. La amplia infraestructura de cable instalada ofrece una inmunidad mucho mayor a las interferencias del entorno que la tecnología inalámbrica, así como un menor coste del sistema y una mejor calidad de servicio.

Este artículo también ha proporcionado al lector algunos puntos importantes para tener en cuenta al diseñar un PD IEEE 802.3bt con el fin de evitar obstáculos potenciales, de modo que el sistema diseñado sea robusto y fiable.

Finalmente, se han expuesto los métodos de prueba apropiados para mejorar el diseño de PD 802.3bt, incluidos enlaces y referencias.

Referencias para el artículo sobre el estándar IEEE 802.3bt

1 IEEE Standard for Ethernet Amendment 2: Physical Layer and Management Parameters for Power over Ethernet over 4 pairs, IEEE Standards Association, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.3bt™-2018 (Amendment to IEEE Std 802.3™-2018 as amended by IEEE Std 802.3cb™-2018)

2 Practical PoE Tutorial, Chris DiMinico, MC Communications/Panduit; Chad Jones, Cisco Systems; Ron Nordin, Panduit; Lennart Yseboodt, Philips Lighting, IEEE802.org, Berlin, Germany 2017

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