Single Pair Power over Ethernet

Das System wird über eine externe Stromversorgung am Power Sourcing Equipment mit Strom versorgt. Um Störeinkopplungen zur und von der Stromversorgung zu unterdrücken, ist ein DC-Filter mit Überspannungsschutz erforderlich.

Ein erprobtes Filterdesign für den DC-Eingang finden Sie in unserem Referenzdesign RD041.

Im Gegensatz zum konventionellen Ethernet, das eine elektrische Isolierung der Netzwerksegmente von jedem Gerät fordert, müssen PoDL- und SPoE-Geräte nur eine Isolierung von 1 MΩ zu allen extern  zugänglichen Leitern aufweisen. D.h. für die meisten Geräte werden die Isolationsanforderungen durch die Verwendung eines nicht leitenden Gehäuses erfüllt.

Das Stromversorgungssystem ist per Definition nicht galvanisch isoliert. Ist anwendungsbedingt eine galvanische Trennung erforderlich, so muss diese durch die externe 24-V-Versorgung sichergestellt werden.

An die Signalleitungen darf nur dann Betriebsspannung angelegt werden, wenn ein Powered Device vorhanden ist. Daher ist ein PSE Power Controller erforderlich, um den DC(DC Converter entsprechend zu steuern.

Eine genauere Betrachtung finden Sie in unserem Referenzdesign RD041.

Diese Drossel stellt eine hohe Impedanz für Gegentaktstörer des DC/DC-Wandlers dar und blockt zudem den Signalstrom zum Leistungspfad.

Da die Drossel durch den Versorgungsstrom vormagnetisiert wird, ist eine gekoppelte Induktivität mit einem geeigneten Sättigungsstrom sinnvoll

Diese zusätzlichen Induktivitäten entkoppeln die Stromversorgung vom System, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Ethernet-Signals zu erhöhen. Sie reduzieren auch die Emissionen vom DC/DC-Wandler zur  Signalleitung.

Diese zusätzlichen Induktivitäten entkoppeln die Stromversorgung vom System, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Ethernet-Signals zu erhöhen. Sie reduzieren auch die Emissionen vom DC/DC-Wandler zur  Signalleitung.

Der Überspannungsschutz ist für diese Schnittstelle aufgrund der möglichen Länge der Übertragungsleitung wichtig. Dieser Entwurf umfasst eine dreistufige Begrenzung der transienten Überspannung für einen wirksamen Schutz der Halbleiter.

Diese Stufe besteht aus bidirektionalen TVSP-Dioden, die mit Erde verbunden sind, um Gleichtaktspannungen bei 58 V zu begrenzen. In Reihe geschaltete Steering-Dioden senken die gesamte kapazitive Last.

Die Gleichtaktdrossel reduziert Störungen, die von der Kabelseite kommen (z. B. Transienten), und verringert hochfrequente Interferenzen, die vom PHY und dem Stromversorgungssystem in Richtung des Kabels getrieben werden. Die Drossel sollte eine geringe Streuinduktivität aufweisen, um das Signal nicht zu stark zu beeinträchtigen.

Der Überspannungsschutz ist für diese Schnittstelle aufgrund der möglichen Länge der Übertragungsleitung von besonderer Bedeutung. Dieser Entwurf umfasst eine dreistufige Begrenzung der transienten Überspannung für einen wirksamen Schutz der Halbleiter.

Die zweite Stufe ist eine TVS-Diode mit Steering-Dioden, um die kapazitive Last zu reduzieren. Diese Schaltung klemmt bei ca. 58 V, falls eine differentielle Überspannung zwischen den Signaldrähten auftritt.

IEC 63171-6 definiert einen Standardstecker für Single Pair Ethernet. Für niedrigere Übertragungsraten in kostensensitiven Anwendungen ist auch ein 3-poliger Anschluss mittels Schraubklemme möglich.

Der Varistor reduziert eventuelle Restladungen auf der Leitung oder auf den Kondensatoren, wenn das System nicht in Betrieb ist oder das Kabel von der Schnittstelle entfernt wird. Wenn die Platine in ein Kunststoffgehäuse eingebaut ist, gibt es keinen soliden Massebezug für einen niederimpedanten Ableitpfad, sodass der Varistor und die benachbarten Kondensatoren durch einen einfachen Widerstand ersetzt werden können.

Diese Schaltung aus Kondensatoren und einem Widerstand sorgt für den Abschluss der Signalleitung mit einer Impedanz von 100 Ω. Bei einer Unsymmetrie der Signalspannung sorgt sie außerdem für den Ausgleich am Center Tab.

Um einen Stromfluss der angelegten Versorgungsspannung von +24 V durch den Transformator zu verhindern, werden Kondensatoren zwischen den Anschlüssen des Mittelabgriffs als DC-Block verwendet. Durch die Parallelschaltung von zwei Kondensatoren wird die Impedanz gesenkt und damit der Einfluss auf das Signal minimiert.

Der Übertrager muss so ausgewählt werden, dass er die Spezifikationen für Droop, Return Loss und Mode Conversion gemäß IEEE 802.3cg erfüllt. Unsere WE-STST-Übertragerserie kombiniert eine hervorragende Performance mit einer sehr kompakten Bauform.

Dieser Kondensator sorgt durch HF-Symmetrierung der Mittelanzapfung des Übertragers für eine höhere Gleichtaktunterdrückung.

Auf der PHY-Seite des Signaltransformators schützt eine TVS-Diode die Signalpins des PHY bei transienten Gleichtaktspannungen von > 4,5 V.

Der Quarz sollte so nah wie möglich am IC platziert werden. Sofern möglich, kann das Gehäuse mit GND verbunden werden. Ein Via-Zaun um den Quarz reduziert das Überkoppeln in die GND-Lage. Alternativ kann auch ein Oszillator eingesetzt werden.

Damit SPoE ordnungsgemäß funktioniert, sind auf beiden Seiten des Netzes spezielle Controller erforderlich. Sowohl Power Sourcing Equipment (PSE) als auch Powered Device (PD) benötigen jeweils einen Physical Interface Controller (PHY) und einen Power Controller. Für das PSE wird ein zusätzlicher Mikrocontroller zur Koordinierung des Systems verwendet. Für das PD wird der Mikrocontroller je nach Anwendung nicht benötigt.

In jedem Fall benötigen diese integrierten Schaltungen eine gewisse Peripherie wie Programmierstecker und Abblockkondensatoren. Unser Referenzdesign RD041 bietet einen detaillierten Überblick über die erforderlichen Schaltungen