Concevoir un dispositif PoE-PD pour l'IoT

Les dispositifs connectés à Internet reposent sur deux fonctionnalités essentielles : la liaison de communication et l'alimentation. Avec les dispositifs IoT (Internet of Things, ou internet des objets), trois préoccupations essentielles apparaissent régulièrement : l’alimentation, les communications et la sécurité.

Les technologies sans fil, comme le WiFi, sont à l'honneur sur le marché depuis des années, mais elles se heurtent à ces trois problématiques. Les appareils sans fil fonctionnant sur batterie doivent être régulièrement rechargés, et le WiFi souffre de la saturation de ses bandes de fréquence. Il s’agit là de deux préoccupations courantes aujourd'hui. Des besoins énergétiques supérieurs nécessitent des connexions au réseau électrique, ce qui rend les choses plus complexes et limite les points d'installation.

La technologie PoE (Power over Ethernet, ou alimentation sur Ethernet) s'attaque à ces problèmes en offrant souplesse, fiabilité, sécurité et alimentation par le biais de l'infrastructure Ethernet existante. La norme PoE a connu une croissance fulgurante depuis sa publication initiale par l'IEEE en 2003. Sa dernière version est la norme IEEE 802.3bt qui fait du PoE un acteur sérieux sur le marché, puisqu’il est compatible avec le standard 10G-BASE-T et permet de transférer 60 W à 90 W de puissance sur un même câble Cat5/Cat6.

Augmentation de la Puissance
Au départ, les équipements PSE (Power Sourcing Equpment, pour équipement fournisseur d’énergie) Type 1 ne pouvaient fournir que 15,4 W, le Type 2 a doublé cette puissance pour atteindre 30 W. Désormais, le Type 3 et le Type 4, lancés en septembre 2018, atteignent respectivement à 60 W et 90 W. Cela ouvre les portes d'un monde de dispositifs connectables à Internet, notamment des stations de base sans fil ou cellulaires, des caméras PTZ (Pan-Tilt-Zoom) ou dômes, des téléviseurs connectés, ou encore des écrans et des kiosques d'information interactifs. Le câble unique associant alimentation basse tension et communications haut-débit dédiées signifie moins de câblage, ce qui est idéal pour la maintenance et l'installation de bâtiments connectés pour l’IoT et l'IIoT (IoT industriel).

Power over Ethernet est un système de communication et de distribution d'énergie filaire permettant d’utiliser les réseaux Ethernet existants pour alimenter les terminaux. Dans un tel système, l'équipement PSE (Power Sourcing Equipment, ou équipement fournisseur d’énergie) fournit au dispositif PD (Powered Device, ou dispositif à alimenter) l'énergie grâce à un câble à huit fils organisés en quatre paires torsadées (Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a) branché à son connecteur RJ45. Le dispositif PSE fournit au point terminal une tension allant jusqu'à 57 V. Etant donné que cette tension est inférieure à 60 V, elle reste conforme à la directive SELV (Safety Extra Low Voltage, ou très basse tension de sécurité), ce qui rend le dispositif électriquement sûr et évite d'avoir recours à un électricien qualifié ou d'enterrer le câble, ce qui simplifie l'installation et la maintenance. La norme limite la puissance par port à 90 W, ce qui est donc la puissance maximale à transmettre par le câble Ethernet.

Initialement prévue pour 2017, la norme a été continuellement mise à jour avant sa publication officielle, afin d'assurer la compatibilité avec les révisions précédentes. La dernière mise à jour de la spécification PoE, IEEE 802.3bt, introduit les dispositifs PSE ("fournisseur" d’énergie) et PD ("client" d’énergie) de Type 3 et de Type 4. Afin de fournir des courants plus élevés, la nouvelle norme permet d'utiliser simultanément les deux modes de puissance (Mode A et Mode B), en fournissant la puissance sur les quatre paires - contre deux seulement avec les Types 1 et 2 - d’où l’appellation "4 paires" ou 4PPOE.

Quatre classes supplémentaires, appelées 5 à 8, ont été ajoutées, avec un processus d'identification mutuelle amélioré et une fonctionnalité de classification automatique. Cette mise à jour introduit également une puissance de veille plus faible, et la prise en charge du 10G-BASE-T conjointement à PoE.

Conception avec du PoE
Lors de la conception de dispositifs PD (à alimenter), il faut tenir compte d'un certain nombre de caractéristiques, notamment le mode de fonctionnement, ainsi que la détection et la classification des dispositifs PD. Afin d'éviter tout dommage aux dispositifs non-PoE, le dispositif PSE doit vérifier si le dispositif connecté est bien de type PD avant de fournir l'alimentation. Le mode PD est détecté à l'aide d'une signature valide, mise en œuvre à l'aide d'une résistance 25 kΩ à l’intérieur du dispositif PD. Le PSE fournit deux tensions consécutives (V1 = 2,7 V et V2 = 10,1 V) pour détecter la résistance, et enregistre les valeurs de courant, afin de confirmer ou pas la présence d'un dispositif PD, avant d'activer l'alimentation. La Figure 1 illustre la phase de détection de résistance au démarrage.
 
Tension du PSE pendant la phase de démarrage

Lors de l'étape de classification, la puissance maximale pouvant être demandée par le dispositif PD est identifiée. Une autre résistance, montée sur le contrôleur PoE à l’intérieur du dispositif PD, indique la plage de puissance. Le Tableau 1 présente les différentes classes et leur puissance maximale pour les dispositifs PD à signature unique. La Classe ne doit pas être confondue avec le Type. La Classe fait référence à la valeur de puissance dont a besoin le dispositif connecté. Dans la norme IEEE 802.3af/at (dispositifs de Type 1 et de Type 2), un dispositif PD à signature unique est utilisé. La norme IEEE 802.3bt ajoute des dispositifs PD à double signature, avec lesquels des redresseurs de pont et des contrôleurs PD séparés sont utilisés pour chaque mode ou alternative (A et B).
Une extension optionnelle de la classification est l'Autoclass. Avec Autoclass, le dispositif PSE mesure la consommation d'énergie du PD connecté sur une certaine période de temps, afin de déterminer la puissance maximale dont le PD pourra avoir besoin. Autoclass n'est jamais mis en œuvre avec des PD à double signature.
Le Tableau 1 présente les nouvelles Classes et les nouveaux Types en indiquant la puissance reçue par le dispositif PD et les modes pris en charge pour chaque Type.

Puissance moyenne maximale pour un dispositif PD à signature unique

Une fois le dispositif PD détecté et sa classe déterminée, il doit conserver sa signature de puissance. Pour les appareils Type 1 et Type 2, la signature électrique minimale est de 10 mA avec un cycle d'utilisation de 20%. Afin de maintenir le port actif, un courant moyen d'au moins 2,31 mA doit être maintenu et donc "perdu". Cela correspond à 115 mW sous 50 V, ce qui grimpe très rapidement avec un déploiement plus large. Pour les dispositifs PD Type 3 et Type 4, le cycle d'utilisation a été réduit à 1,875%, ce qui donne moins de 10 mW par dispositif, soit une réduction de 90% de la puissance consommée en veille.
La fonction MPS (Maintain Power Signature, ou maintien automatique de signature de puissance) est strictement requise pour les applications d'éclairage connecté, où un grand nombre de dispositifs sont présents sur le réseau. Elle est également nécessaire, même si elle est moins critique, pour les dispositifs actifs en permanence, comme les liaisons sans fil, les points d'accès Wi-Fi ou les caméras de sécurité.

Modes PoE
La distribution d'énergie se fait selon trois modes : Mode A, Mode B (également connu sous les noms "Alternative A" et "Alternative B") et 4 paires. Pour les standards 10BASE-T/100BASE-TX, en Mode A, la puissance est fournie simultanément sur les paires 1-2 et 3-6. Le mode B fournit la puissance sur les paires de réserve 4-5 et 7-8. Pour les applications utilisant le standard 1000BASE-T (4 paires), en mode A comme en mode B, l'alimentation est fournie simultanément sur 4 paires. La tension en mode commun est extraite à partir du point milieu d'un transformateur Ethernet standard, puis un convertisseur continu-continu fournit au système une tension de sortie régulée.
La Figure 2 illustre la distribution de puissance en Mode A et en Mode B, pour les applications de Type 1 et de Type 2. La Figure 3 illustre le câblage pour le mode 4 paires en Type 3 et Type 4.

Fourniture de puissance PoE Mode A et Mode B


Pour la conception de dispositifs PoE, il est important de tenir compte du câble d'interconnexion. La longueur maximale d’un câble Ethernet est de 100 m, ce qui correspond à une certaine résistance électrique, qui fait chuter la tension et dissipe une certaine puissance sous forme de chaleur dans le câble. Le câble de catégorie 5,ou Cat5, est un câble à paires torsadées utilisé dans les réseaux Ethernet et qui sert à fournir l'énergie dans les réseaux PoE. Il supporte jusqu'à 100 Mhz et convient aux débits Ethernet 10/100/1000BASE-T. Le câble catégorie 6, ou Cat6, est une version améliorée du Cat5, qui supporte jusqu'à 500 Mhz et convient aux débits Ethernet 10GBASE-T.
Un câble Cat5 de 100 m présente une résistance de 12,5 Ω, alors que les câbles Cat6 ont une résistance de 7 Ω par 100 m. Les pertes de transmission augmentent à mesure que le courant augmente dans les paires différentielles. Avec une tension d'entrée typique de 50 V dans un dispositif PD 25 W, le courant est de 0,5 A. Cela s'ajoute à une perte de transmission de 2,5 W en Cat5 et de 1,75 W en Cat6, dissipée sous forme de chaleur. Pour un dispositif 90 W, cette perte de transmission est répartie sur quatre paires à 930 mA par paire, avec un minimum de 52 V au niveau du dispositif PSE. Cela correspond à 17,30 W en Cat5, et à 2 x 6,05 W en Cat6. Ceci montre que le câble Cat5 convient et reste suffisamment sûr pour n’importe quelle application.

Se connecter
Le câblage doit être soigneusement pris en compte dans les installations. Un compromis entre la longueur du câble et la puissance du dispositif à alimenter doit être fait, pour augmenter le rendement et diminuer le risque de dommage au câblage.


Le contrôleur du dispositif PD convertit et, avec l’aide d’un convertisseur continu-continu supplémentaire, régule la tension d'entrée côté dispositif PD. Les ponts de diodes sont une solution économique pour les dispositifs PoE typiques. Ils conviennent bien aux appareils de faible puissance, mais la puissance augmentant, ce type de solution devient problématique. Avec une puissance de 25,5 W et un minimum de 42,5 V, un courant d’environ 0,6 A circule dans le pont de diodes. Avec une tension directe de 0,7 V par diode, la puissance dissipée dans chaque diode est de 420 mW. Pour un système 90 W, le courant passe à 3,7A et la puissance dissipée dans chaque diode monte à 2,59 W.

Une approche MOSFET réduit les pertes de conduction et améliore le rendement par rapport au pont de diodes conventionnel. La première génération de MOSFET intégrés à double canal-P et double canal-N (FDMQ8203) de la famille GreenBridge d’ON Semiconductor procure une solution efficace au problème, dans un boîtier compact amélioré thermiquement et compatible montage en surface. La perte par conduction est liée à la valeur RDS(ON) des MOSFET. Avec uns RDS(ON) de 110 mΩ et 190 mΩ pour les MOSFET canal-N et canal-P respectivement, la puissance dissipée calculée est de 115 mW pour un système 25 W. C’est seulement un quart de la puissance dissipée dans le pont de diodes. Dans l'exemple 90 W, le courant de 3,7 A correspond à une perte par conduction de 354 mW, soit 13% seulement de la puissance dissipée dans le pont de diodes. Cela peut sembler un gain relativement faible, mais pour tout un bâtiment, où des centaines de capteurs PoE sont utilisés, la différence peut être importante.
Les solutions quadruple MOSFET de deuxième génération (FDMQ8025A) offrent une puissance nominale plus élevée, et intègrent des ponts redresseurs à haut rendement et les drivers de grille nécessaires, le tout dans le même petit boîtier MPL de 4,5 x 5 mm que la première génération, tout en offrant des valeurs de RDS(ON) beaucoup plus faibles, avec 35 mΩ pour les MOSFET canal-N et 76 mΩ pour les MOSFET canal-P.

Solution GreenBridge quadruple MOSFET FDMQ8203

ON Semiconductor propose également des contrôleurs d'interface PoE-PD permettant de transformer tout appareil en dispositif PD alimenté suivant la norme 802.3af/at et -3bt. Les contrôleurs d'interface NCP1095 et NCP1096 intègrent toutes les fonctions nécessaires pour fonctionner dans un système PoE, telles que la détection, la classification, la fonction Autoclass, et la limitation de courant pendant la phase d'appel. Les deux contrôleurs supportent jusqu'à 90 W grâce à un transistor de passage interne/externe. Ils indiquent également si une MPS (maintien de signature automatique) courte peut être mise en œuvre. Une détection d'alimentation auxiliaire permet de fournir l’alimentation par PoE, ou à l’aide d’un adaptateur secteur.
Les cartes d'évaluation NCP1095GEVB et NCP1096GEVB permettent au concepteur d'évaluer rapidement le fonctionnement des deux contrôleurs avant une implantation physique, afin de faciliter la conception. Elles comprennent le pont actif GreenBridge2, des connecteurs RJ45 et un transformateur LAN.

Carte d’évaluation NCP1095GEVB / NCP1096GEVB

Conclusion
La dernière version de la norme IEEE 802.3bt pour l'alimentation sur Ethernet (PoE) permet d’utiliser cette technologie avec des appareils plus gourmands en énergie, ce qui ouvre la voie à des applications plus performantes. L'augmentation de consommation entraîne de nouveaux défis que l’on peut relever grâce aux solutions PoE-PD d'ON Semiconductor, notamment à ses ponts actifs GreenBridge à quadruple MOSFET et à ses contrôleurs PoE-PD faciles à mettre en œuvre. Ces solutions réduisent les risques liés aux nouveaux produits et améliorent les délais de commercialisation, en faisant du Power over Ethernet un acteur sérieux sur le marché de l'Internet des objets.

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