Gigabit-Ethernet mit eingebauter Stromversorgung

Power-over-Ethernet implementieren Gigabit-Ethernet mit eingebauter Stromversorgung – Teil 2

11.01.2024 Von Dr.-Ing. Heinz Zenkner 4 min Lesedauer

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Bei Power-over-Ethernet werden gleichzeitig über ein und dieselbe Leitung sowohl die Datenübertragung als auch die Stromversorgung realisiert. Teil 2 des Beitrags erläutert nun die Implementierung eines GigaBit-Ethernet-USB-Adapters mit integrierter PoE-Funktion als Referenzdesign.

Power over Ethernet: Der zweite Teil dieses Artikels beschreibt die Implementierung des Referenzdesigns RD022 und beleuchtet unter anderem die Blockschaltung der PD-Schnittstelle, den Aufbau der primärseitigen Stromversorgung (PSE) und den Entwurf und Aufbau des Adapter-Boards.
(Bild: Würth Elektronik eiSos)

Der erste Teil dieses Artikels behandelte die Grundlagen von Power-over-Ethernet mit den einschlägigen Standards. Im zweiten Teil steht nun die Implementierung des Referenzdesigns RD022 „GB-PoE+-Ethernet-USB–Adapter“ von Würth Elektronik im Mittelpunkt.

PD-Schnittstelle: Die Blockschaltung der PD-Schnittstelle ist exemplarisch mit einem von vier Kanälen in Bild 3 dargestellt. Signaltechnisch betrachtet, ist die Schaltung identisch mit der Schnittstelle ohne PoE. Um zugleich die Stromversorgung über das Ethernet-Kabel zur Versorgung des Gerätes zu realisieren, müssen einige schaltungstechnische Erweiterungen implementiert werden.

Bildergalerie

Bild 3: Prinzipschaltung der GB-Ethernet-Schnittstelle mit PoE, es ist einer von vier Kanälen dargestellt.

Bild 4: Einfügedämpfung S21 bis 500 MHz eines Kanals nach Bild 3 zwischen Eingang und Ausgang, gemessen mit einem Netzwerkanalysator (Impedanz 50 Ω).

Bild 5: Schematischer Aufbau zur Messung der Einfügedämpfung S21 eines Kanals bis 100 MHz.

Bild 6: Prinzipschaltung des Netzwerkes zur Stromauskopplung (Darstellung von zwei von vier Kanälen).

Bildergalerie mit 8 Bildern

Hinzugefügt wird eine weitere Gleichtakt-Drossel zum PHY. Diese Drossel entkoppelt den PHY HF-technisch. Störungen, die von der Kabelseite zur Schnittstelle gelangen, sind auf der Sekundärseite des Übertragers im Gleichtakt. Bei Betrieb mit PoE werden durch den DC/DC-Wandler zusätzliche Störungen erzeugt, die die Datenübertragung beeinträchtigen können. Die Drossel CM2 in Bild 3 reduziert diese Störungen.

Die Drosseln CM1 und CM2 sind trifilar gewickelt; d.h. alle drei Wicklungspakete sind auf einem gemeinsamen Kern, um Gleichtakt-Störungen zu dämpfen. Primärseitig zum Kabel wird der Mittelabgriff des Übertragers zur Auskopplung des Versorgungsstroms und der Bob-Smith-Terminierung über die Drossel geführt, um eine Entkopplung der Stromversorgung zum Ethernet-Kabel zu erreichen.

Der trifilare Wicklungsaufbau kompensiert das Magnetfeld und vermeidet dadurch eine Magnetisierung des Kerns durch den Versorgungsstrom. Sekundärseitig wird durch den trifilaren Aufbau der Drossel CM2 im hochfrequenten Bereich (typ. ab 10 kHz) eine Entkopplung zum PHY erreicht.

Bild 4 zeigt die Einfügedämpfung (S21) im Gleichtakt zwischen J7/J8 (Eingang an RJ45-Buchse) zu den Pins D4 (Ausgang an D4+/CD4/D4–). Gemessen wurde am „1 Port RJ45 Through Hole 10/100/1000 Base-T, AutoMDIX, Power-over-Ethernet+ (PoE+) Module”, WE-RJ45LAN HPLE, Order-No: 7499511002A.

Die Einfügedämpfung beträgt im Frequenzbereich bis 100 MHz mindestens 20 dB und kann so Störungen, die über das Ethernet-Kabel typischerweise im Frequenzbereich von einigen kHz bis 50 MHz liegen, wirkungsvoll dämpfen. Der Messaufbau mit Spektrum-Analysator ist in Bild 5 dargestellt.

Primärseitige Stromversorgung für das PD

Die Stromversorgung für das PD (Powered Device) wird über die Gleichtakt-Drosseln ausgekoppelt. Die Drosseln verhindern eine Dämpfung des Nutzsignals. In Bild 6 ist die Prinzipschaltung dargestellt.

Parallel zum Bob-Smith-Impedanzabschluss sind vier Diodenpärchen angeordnet, die je nach Versorgungstopologie von mindestens zwei Leitungspaaren die Stromversorgung auskoppeln. Über die Dioden wird dann der DC/DC-Wandler versorgt.

In Bild 7 wird dann die Spannung von den Diodenpärchen über ein EMI-Filter zum PoE-DC/DC-Controller geführt. Der Controller ist in Sperrwandler-Topologie (Flyback) aufgebaut.

Die Stromversorgung für die Controller-Elektronik muss den Isolationsanforderungen von IEEE 802.3-2005, Abschnitt 10, Verweis 4 entsprechen. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss das sekundärseitige „V_OUT“-Stromversorgungssystem von der Primärseite (Ethernet-Kabel) mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 1500 V_eff isoliert sein.

Die ungeregelte Spannung gelangt zum EMI-Filter, der hochfrequente Störungen dämpft und einen zusätzlichen Transientenschutz umfasst. Der PoE-DC/DC-Controller regelt die Eingangsspannung (V_DD/V_SS), die über den Übertrager (Bild 7) galvanisch getrennt wird. Nach dem Gleichrichter steht die geregelte Ausgangsspannung (V_OUT) zur Verfügung.

Der Massebezug wird per Übertrager getrennt, an der Primärseite des Übertragers ist der Massebezug „AGND“, auf der sekundären Seite „GND“. Der Übertrager (750311320) hat zwischen Primär- und Sekundärseite eine Spannungsfestigkeit von 1.500 V_eff. Die Feedback-Schleife zur Regelung der Ausgangsspannung wird mit einem Optokoppler galvanisch getrennt. Der hier verwendete Optokoppler WL-OCPT (140356145100) hat eine Isolationsspannungsfestigkeit von 3.750 V_eff. Bild 8 zeigt einen schematischen Aufbau der Leiterplatte bezüglich der galvanisch getrennten Bereiche.

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Entwurf und Aufbau des Adapter-Boards

Der GB-Ethernet-USB-Adapter mit PoE wurde als „integrierte Variante“ entwickelt, so dass im Bereich der Ethernet-Schnittstelle das Anpassungsnetzwerk und der Induktivitätenblock, bestehend aus Gleichtakt-Drosseln und -Übertragern mit in das Gehäuse der RJ-45 Buchse integriert sind (Bild 9).

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Der Gigabit-Ethernet-Controller LAN7800 USB 3.1 verbindet die USB-Schnittstelle mit der Ethernet-Schnittstelle, als „Brücke“ (Bild 10). Somit sind für die Schaltung der Schnittstellen die signaltechnischen Anpassungen und Entkopplungen zu realisieren. Die Stromversorgung muss über das Ethernet-Kabel ausgekoppelt und mit einem DC/DC-Controller entsprechend geregelt werden. Der DC/DC-Controller übernimmt auch die Detektion und Klassifikation des Power Devices (PD). USB-seitig wird mit einem linearen DC/DC-Controller (LDO) die für den LAN7800 und das EEPROM notwendige Versorgungsspannung von 3,3 V erzeugt. Der LAN7800 benötigt für die Firmware ein zusätzliches 4-kBit-EEPROM.

Die Schaltung des kompletten Adapters ist im Referenzdesign RD022 [4, Bilder 11 und 12] dargestellt. Außerdem sind dort der USB-Ethernet-Controller, die Beschaltung der USB-3.1-Schnittstelle und der Ethernet-Schnittstelle sowie die Stromversorgung für PoE im Detail beschrieben. Schließlich wird auch das EMV-Design für die Evaluierung ausführlich erläutert. (kr)

Bild 1:  Prinzipschaltung eines Systems gemäß IEEE 802.3at, bzw. „PoE+“. (Bild: Würth Elektronik)

Literatur

[1] Zenkner, H.: Gigabit-Ethernet mit eingebauter Stromversorgung – Teil 1 Grundlagen, ELEKTRONIKPRAXIS 17 (2023).

[2] Zenkner, H.: Gigabit-Ethernet Front End, Referenzdesign RD016, Würth Elektronik: www.we-online.de/RD016

[3] Stirn, A.: Gigabit-Ethernet Schnittstelle unter EMV-Gesichtspunkten, AppNote ANP116, Würth Elektronik: www.we-online.de/ANP116

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

[5] Stirn, A.: Gigabit-PoE-Schnittstelle unter EMV-Gesichtspunkten, AppNote ANP122, Würth Elektronik: www.we-online.de/ANP122

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