gesponsertEthernet-Kommunikation Wie die Implementierung von SPE mit PoDL gelingt

Gesponsert von

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Single Pair Ethernet (SPE) gewinnt in der industriellen Vernetzung zunehmend an Bedeutung, da es durch die vereinfachte Verkabelung mit nur einem einzigen Adernpaar überzeugt. Wird die Stromversorgung über Power over Data Lines (PoDL) integriert, entsteht eine besonders effiziente und einfache Lösung. Wie die Implementierung von SPE mit PoDL gelingt, zeigt das Referenz-Design RD041.

Single Pair Ethernet (SPE) ist ein zukunftsweisender Standard für die Ethernet-Kommunikation, der sich durch die Nutzung eines einzigen Adernpaares für die Datenübertragung auszeichnet – im Gegensatz zu herkömmlichem Ethernet, das normalerweise bis zu vier Adernpaare verwendet. Dadurch eignet sich SPE für Anwendungen, bei denen Platz und Gewicht eine entscheidende Rolle spielen, wie z. B. in der Automobilbranche, der Industrie und bei IoT-Geräten (Internet of Things).

Power over Ethernet (PoE) ist eine Technologie, die es ermöglicht, elektrische Energie zusammen mit Daten über ein Ethernet-Kabel zu übertragen [1]. Dadurch entfallen separate Stromkabel, was die Installation vereinfacht, und Kosten senkt, insbesondere bei Anwendungen wie IP-Kameras, VoIP-Telefonen und Wireless Access Points.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 9 Bildern

Power over Data Lines (PoDL) überträgt dieses Konzept auf Single-Pair-Ethernet-Systeme, indem es die Stromversorgung über das einzelne Twisted-Pair-Kabel ermöglicht, das für die Datenübertragung in SPE-Systemen genutzt wird. Dadurch können Geräte, die über SPE angeschlossen sind, über das gleiche Kabel mit Strom versorgt werden, das auch für die Datenübertragung verwendet wird. In der Fachliteratur wird Single Pair mit PoE oftmals auch als SPoE bezeichnet, ein Begriff, der in den folgenden Ausführungen verwendet wird.

SPoE unterscheidet sich in Definition und Implementierung von PoE. Es umfasst, eine einzigartige Technik der Leistungskopplung, die in einer Zwei-Draht-Schaltung angewandt wird, und die gleichzeitige Übertragung von Strom und Daten über ein symmetrisches, verdrilltes Leitungspaar.

Die Datenverbindungen werden über ein einziges Adernpaar realisiert, das an beiden Enden galvanisch entkoppelt ist, um Erdschleifen zu vermeiden. Das PoE-System überträgt Strom parallel zu den Daten, während das SPoE-System Strom und Daten über ein einziges Adernpaar kombiniert. Bild 1 zeigt die Prinzipschaltung des SPoE-Systems. Auf der linken Seite des Schaltplans befindet sich das Power Source Equipment (PSE) mit dem PHY (Physical Layer im OSI-Modell).

Auf der rechten Seite sind das Powered Device (PD, Last) und ein weiterer PHY zu sehen. Die PHYs stellen die Datenverbindung her, während das PSE das PD mit Strom versorgt. Die Datenverbindung erfolgt hier kapazitiv (C1 bis C4), die Stromversorgung induktiv (L1 bis L4) entkoppelt. Sowohl die Daten als auch die Stromversorgung werden über das Twisted-Pair-Kabel übertragen. Die Schnittstelle wird als „Media Dependent Interface“ oder „Port Interface“ (MDI/PI) bezeichnet.

Die Integration der Stromversorgung neben der Datenübertragung erfordert ein robustes, auf Klassifizierung basierendes Stromversorgungsprotokoll, das die Kompatibilität zwischen Stromversorgungsgeräten (Power Sourcing Equipment, PSE) und betriebenen Geräten (Powered Devices, PD) sicherstellt. Dieses Protokoll umfasst mehrere Schritte, um die Kompatibilität und Sicherheit vor der Stromübertragung zu gewährleisten und so das Risiko potenzieller Gefahren wie Kurzschlüsse oder offene Stromkreise zu minimieren.

Der Prozess beginnt mit der Erkennungsphase durch das PSE, in der es das Vorhandensein von angeschlossenen PDs innerhalb des Netzes feststellt. Anschließend klassifiziert das PSE die PDs und fragt wichtige Informationen wie Klasse und Typ ab. Darüber hinaus umfasst das Protokoll die von der PD unterstützte Messung von Kabelwiderstand und Anschlusskapazität (CRM), um die Integrität der Verbindung weiter zu bewerten.

Das Protokoll ist in IEEE 802.3cg (SPoE, 2019) definiert, das eine Erweiterung des Standards 802.3bu Power over Data Lines (PoDL, 2016) darstellt. PoDL definiert die Protokolle für die Erkennung, Klassifizierung und Einschaltprozeduren und gewährleistet so einen standardisierten Ansatz in verschiedenen Netzwerkumgebungen. Darüber hinaus erweitert SPoE seine Fähigkeiten um Long-Range-Protokolle, wie z. B. 10BASE-T1L, das Kabellängen bis zu 1 km unterstützt. Dies eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in Szenarien, in denen herkömmliche Stromversorgungsmethoden unpraktisch oder ineffizient sind.

Die elektrischen Anforderungen für SPoE sind in den folgenden IEEE-Normen festgelegt:

• IEEE 802.3cg (10BASE-T1): Bandbreite 0,1 bis 20 MHz, Reichweite bis zu 1000 m.

• IEEE 802.3bw (100BASE-T1): Bandbreite 0,3 bis 66 MHz, Reichweite bis zu 40 m.

• IEEE 802.3bp, (1000BASE-T1): Bandbreite 1 bis 600 MHz, Reichweite bis zu 40 m.

Wie in Bild 2 zu sehen, unterscheiden sich die für SPoE verwendeten Kabel von den für Ethernet verwendeten Standardkabeln.

SPoE erfordert Kabel, die in der IEC 61156 definiert sind, d. h. „mehradrige und symmetrische Paar-/Viererkabel für die digitale Kommunikation“. Standard-CAT-6- oder CAT-7-Kabel, auch wenn sie geschirmt sind, sind hierfür nicht geeignet.

Ähnlich wie bei den Ethernet-Klassen gibt es auch bei SPoE verschiedene Varianten, die in Tabelle 1 in der Bildergalerie dargestellt sind.

Die IEEE 802.3bu ist ein vom IEEE im Jahr 2016 verabschiedeter Standard für die Stromversorgung von Geräten über eine einpaarige Ethernet-Verbindung. Die Kabel unterscheiden sich je nach Anwendung: Kabel des Typs A enthalten massive Drähte und sind für die feste Installation geeignet, Kabel des Typs B enthalten Litzen und sind für flexible Anwendungen oder Vibrationen ausgelegt. (Das Institute of Electrical and Electronics Engineers)

SPoE kann in ein gemischtes System mit gängigen industriellen Ethernet-Protokollen wie Ethernet/IP, Profinet und EtherCAT integriert werden und ermöglicht die gleichzeitige Stromversorgung von Endgeräten. Bild 3 zeigt einen typischen Aufbau.

Das PSE testet die Verbindung, bevor es die Stromversorgung aktiviert, indem es einen 10-mA-Teststrom verwendet, um zu prüfen, ob der Spannungsabfall innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Sobald das PD erkannt wird, wird die Geräteklasse mithilfe des so genannten „Serial Communication Classification Protocol“ (SCCP) bestimmt. Nachdem die PD-Klasse definiert ist, wird die Leistung hochgefahren. Je nach System können die Versorgungsspannungen 12, 24 oder 48 V betragen. Die Leistungsklassen reichen von 0,5 bis 50 W, bei einem maximalen Strom von 2 A. Liefert das PSE nicht die volle Leistung, bleibt die Stromaufnahme konstant unter 1 mA bei 3,3 V (Sleep-Modus). Tabelle 2 in der Bildergalerie zeigt die Parameter der physikalischen Schicht von SPoE-Systemen.

SPoE-Hardware-Topologie

Bild 4 zeigt die Hardware-Topologie des SPoE-Systems von Würth Elektronik. Auf der linken Seite befindet sich das PSE, auf der rechten Seite das PD und dazwischen die Übertragungsstrecke, d. h. das Kabel. Die Schnittstellen mit primärem Transientenschutz, Gleichtaktdrosseln, Transformatoren und sekundärem Transientenschutz zum PHY sind für PSE und PD identisch.

Strom und Daten werden an der Schnittstelle über ein Leistungskoppelnetz miteinander gekoppelt. Der PHY ist über den Datentransformator T1 wechselstromgekoppelt. CMC1 dämpft das Gleichtaktrauschen von der Datenleitung zum PHY und umgekehrt. Die Gleichstromversorgung des PSE wird auf die differenziellen Datenleitungen gekoppelt und durch CMC2 entkoppelt. CMC2 ist so verdrahtet, dass das differenzielle Signal entkoppelt wird. Es muss darauf geachtet werden, dass die Drossel nicht durch den Versorgungsstrom zu stark vormagnetisiert wird und somit einen zu starken Impedanzabfall hat.

Die Induktivitäten (T1, T2, CMC1, CMC2) müssen so ausgewählt werden, dass sie die Spezifikationen für den P-Bereich, die Rückflussdämpfung und die Modenumwandlung gemäß IEEE 802.3cg erfüllen. Für den Transientenschutz am Eingang der Schnittstelle (der Primärseite der Transformatoren T1 und T2) ist der Massebezug das Gehäuse. Für den Transientenschutz auf der Sekundärseite der Transformatoren ist die Bezugsmasse GND_sec., die Masse für den PHY-Schutz.

Konventionelles Multipair-Ethernet (einschließlich PoE) nach IEEE 802.3 erfordert eine galvanische Trennung von der Gehäusemasse. Gemäß den Normen IEEE 802.3bu (PoDL) und IEEE 802.3cg (SPoE) müssen PSE/PDs eine Isolierung von mindestens 1 MΩ (@ 5 V ± 20%) zwischen allen zugänglichen externen Leitern und der Schnittstelle (MDI) bieten. Je nach Anwendung müssen die Geräte den einschlägigen Normen wie IEC 61010-1 (Sicherheitsvorschriften für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte) oder IEC 62368-1 (Sicherheitsanforderungen für Geräte der Audio-/Video-, Informations- und Kommunikationstechnik) entsprechen. Geräte ohne elektrisch leitende Schnittstellen-Pins – mit Ausnahme des Twisted-Pair-Ethernet-MDI – können die Isolationsanforderungen erfüllen, wenn sie ein nicht leitendes Gehäuse verwenden.

Für SPoE-Anwendungen, die eine galvanische Isolierung vom Gehäuse erfordern, muss eine isolierte Stromversorgung verwendet werden. Einschlägige Sicherheitsnormen, einschließlich Luft- und Kriechstrecken sowie Schutzabstände, sind dabei einzuhalten.

Implementierung des SPoE-Systems

Die Blockschaltung des WE SPoE-Systems ist in Bild 5 zu sehen. Das System wird über eine externe Stromversorgung am PSE (Anschluss X4, 24 V / < 80 mA) versorgt. Das Stromversorgungssystem ist nicht galvanisch getrennt. Ist aufgrund der Anwendung eine galvanische Trennung erforderlich, muss diese durch die eine externe 24-V-Versorgung sichergestellt werden.

An PSE und PD können folgende Geräte zur Datenkommunikation angeschlossen werden: PSE/X7: 10-MBit/s- Ethernet (PD/X7: 10-MBit/s-Ethernet) und PSE/X1: USB 3.1 (PD/X1: USB 3.1).

Die Schnittstellen lassen sich gemischt oder über Kreuz konfigurieren und gleichzeitig betreiben. Zusätzlich kann der Betriebszustand am PSE/X9 überwacht werden. X9 ist eine serielle Schnittstelle; für den einfachen Betrieb sollte ein Seriell/USB-Umsetzer verwendet werden, der dann an die USB-Schnittstelle eines PCs angeschlossen wird. Der Aufbau wird in [2] näher erläutert.

Die SPE-Übertragungsstrecke arbeitet mit einer Datenrate von 10 MBit/s bei einer Amplitude von ca. 2,5 V_PP, die Betriebsspannung auf der Zweidrahtleitung rangiert von 20 bis 24 V_DC.

PSE-Implementierung

Die Daten werden von der SPE/PoDL-Schnittstelle an den PHY ADIN1100 (Analog Devices) übertragen. Der PHY wandelt die Daten um und leitet sie an den Ethernet-Switch LAN9355 (Microchip) weiter. Der Multiport-Ethernet-Switch gibt die Daten sowohl an den Ethernet-Port als auch an den Ethernet/USB-Konverter LAN7800 (Microchip) weiter.

Die Stromversorgung für den PD wird über ein Netzwerk in die SPE/PoDL-Schnittstelle eingekoppelt. Die IEEE-802.3cg-konforme Steuerung der Stromversorgung erfolgt über den Controller LTC4296 (Analog Devices) und wird vom Mikrocontroller STM32G03C8T6 (STMicroelectronics) verwaltet. Die eigentliche Spannungsversorgung wird in den LTC4296 eingespeist. Ein DC/DC-Wandler erzeugt aus den +24 V eine Spannung von 3,3 V zur Versorgung der Onboard-Elektronik der SPE. Bild 6 zeigt die Oberseite der WE PSE-Platine.

PD-Implementierung

Der Signalfluss auf der PD-Seite ist identisch mit dem im PSE-Design. Die von der SPE kommenden Daten werden von der SPE/PoDL-Schnittstelle an den PHY ADIN1100 übertragen. Der PHY wandelt dann die Daten um und leitet sie an den LAN9355 Ethernet-Switch weiter. Der Multiport-Ethernet-Switch gibt die Daten dann sowohl an den Ethernet-Port als auch an den LAN7800 Ethernet/USB-Konverter weiter.

Die Stromversorgung, die über ein Kabel vom PSE kommt, wird in den SPoE-PD-Controller LTC9111 (Analog Devices) eingekoppelt. Der IEEE 802.3cg-konforme Con­troller sorgt für die SCCP-basierte Klassifizierung. Ein DC/DC-Wandler erzeugt aus den 24 V eine Spannung von 3,3 V zur Versorgung der Onboard-PD-Elektronik.

Bild 7 zeigt die Oberseite des WE-PD-Boards. Auf der linken Seite befindet sich die SPoE-Schnittstelle. Der Anschluss kann entweder über eine 3-polige Steckklemme (X3) oder einen SPE-Steckverbinder (X2) erfolgen.

Der Anschluss für die 24-V-Stromversorgung (X4) befindet sich unten links auf der Platine und die Ethernet- (X7) und USB-Schnittstellen (X1) befinden sich auf der rechten Seite.

Weitere Informationen über die Implementierung der PSE- und PD-Boards mit detaillierten Schaltungshinweisen sind unter [2] zu finden. Das vorgestellte Referenzdesign wurde nicht im Modus mit einer Reichweite von 1000 m getestet, so dass derzeit nur ein Betrieb mit Kabellängen von bis zu 100 m empfohlen werden. 

Literatur

[1] Zenkner, H.: GB PoE+-Ethernet-USB-Adapter für industriellen Einsatz unter EMV-Gesichtspunkten. Referenzdesign RD022 von Würth Elektronik: www.we-online.com/RD022

[2] Zenkner, H.: Design eines Single-Pair-Ethernet-Systems mit Power-over-Data-Lines (SPoE). Referenzdesign RD041 von Würth Elektronik: www.we-online.com/RD041

(ID:50324310)