การเลือกอุปกรณ์แม่เหล็ก PoE ตามกระแส Center-Tap: MagJacks สำหรับมาตรฐาน 802.3af, at และ bt

Power over Ethernet จะส่งกระแสไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ผ่านแม่เหล็กชุดเดียวกับที่ใช้รับส่งข้อมูล ดังนั้นการเลือกใช้ PoE MagJack จึงเป็นการเปิดใช้งานกระแสไฟฟ้า การจับคู่ และการตั้งค่าไบแอส (bias):

ประเด็นสำคัญ

• เลือกแม่เหล็ก PoE ตาม พิกัดกระแสไฟฟ้าที่จุดกึ่งกลาง (center-tap) สำหรับประเภทของ PoE ไม่ใช่เลือกตามระดับความเร็ว เนื่องจาก MagJack แบบ 1000BASE-T ไม่ได้ถูกออกแบบมาให้รองรับ PoE โดยอัตโนมัติ
• IEEE 802.3af (Type 1) จ่ายไฟ 15.4 W ที่ PSE ด้วยกระแส 350 mA; IEEE 802.3at (Type 2, PoE+) จ่ายไฟ 30 W ที่กระแส 600 mA ต่อคู่สาย
• IEEE 802.3bt Type 3 และ 4 จ่ายไฟผ่าน ทั้งสี่คู่สาย — 60 W และ 90 W ที่ PSE ในคลาส 5 ถึง 8 ดังนั้นจุดกึ่งกลางทุกจุดในแจ็คจึงมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
• กระแสไฟฟ้า PoE จะหักล้างกันในแกนแม่เหล็กในอุดมคติ แต่ ความไม่สมดุลของความต้านทานในคู่สาย (pair resistance unbalance) จะทำให้เกิดกระแส DC สุทธิที่ลดค่า OCL ลง ดังนั้นชิ้นส่วนที่ผ่านเกณฑ์ OCL ที่ 8 mA อาจไม่ผ่านเกณฑ์เมื่ออยู่ภายใต้ไบแอสของ PoE
• MagJack ที่ไม่ใช่ PoE แต่มีขนาดขา (footprint) เท่ากัน ไม่สามารถนำมาใช้แทน PoE ได้: เนื่องจากจุดกึ่งกลางด้านสายเคเบิลมักจะถูกเชื่อมต่อเข้ากับเครือข่ายการยุติสัญญาณ (termination network) แทนที่จะถูกนำออกมาที่ขาพิน

กฎเหล็กทางวิศวกรรม: กำหนดขนาดพิกัดกระแสไฟฟ้าที่จุดกึ่งกลางจากกระแสไฟฟ้าของคู่สายที่คลาสสูงสุดของคุณต้องการ จากนั้นจึงอ่านค่า OCL ที่ระดับไบแอสของ PoE เนื่องจากค่า OCL ที่ระบุไว้โดยทั่วไปจะเป็นค่าที่จุดปฏิบัติงานแบบไม่มี PoE

กระแสไฟฟ้า PoE ไหลผ่านแม่เหล็กอย่างไร

PoE จะไม่ส่งผลกระทบต่อสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล (differential signal) อุปกรณ์จ่ายไฟ (PSE) จะจ่ายไฟ DC ระหว่างคู่สายสองชุด: กระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าสู่จุดกึ่งกลางด้านสายเคเบิลของหม้อแปลง 1CT:1CT ของคู่สายหนึ่งชุด แบ่งเท่าๆ กันผ่านตัวนำทั้งสองของคู่สายนั้น และไหลกลับผ่านจุดกึ่งกลางของอีกคู่สายหนึ่ง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเป็นแบบคอมมอนโหมด (common-mode) บนแต่ละคู่สาย ข้อมูลดิฟเฟอเรนเชียล 100 Ω จึงสามารถส่งผ่านไปได้โดยไม่ได้รับผลกระทบ

IEEE 802.3af และ 802.3at กำหนดวิธีการทำสิ่งนี้ไว้สองวิธี Alternative A จ่ายไฟผ่านคู่สายที่พิน 1/2 และ 3/6; Alternative B จ่ายไฟผ่านคู่สายที่พิน 4/5 และ 7/8 อุปกรณ์ที่รับไฟ (PD) จะต้องสามารถรับไฟได้จากทั้งสองวิธี ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอินพุตของ PD จึงต้องผ่านวงจรบริดจ์เรกติไฟเออร์ (bridge rectifier) ส่วน IEEE 802.3bt ได้เพิ่มการจ่ายไฟแบบสี่คู่สาย โดยใช้ทั้งสองชุดพร้อมกัน

ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติสำหรับการเลือกแจ็คคือ: ทุกคู่สายที่สามารถนำไฟฟ้าได้จำเป็นต้องมีจุดกึ่งกลาง (center tap) ฝั่งสายเคเบิลที่พร้อมใช้งาน โดยต้องเชื่อมต่อออกมายังพินบน PD หรือขับเคลื่อนโดยตัวควบคุม PSE บนสวิตช์ สำหรับ RJ45 MagJacks โครงสร้างแบบ center-tap นั้นถูกกำหนดไว้ภายในชิ้นส่วนแล้ว ดังนั้นจึงต้องตรวจสอบจากแผนผังภายในก่อนการจัดวางเลย์เอาต์ ไม่ใช่มาค้นพบในขั้นตอนการทดสอบระบบ

ฝั่ง PSE เทียบกับฝั่ง PD: สิ่งที่เปลี่ยนไปสำหรับแจ็ค

MagJack ที่มีความเร็วระดับเดียวกันจะถูกระบุคุณสมบัติแตกต่างกันไปในแต่ละฝั่งของลิงก์ สำหรับฝั่ง PSE เช่น สวิตช์, หัวฉีดไฟ (injector) หรือเครื่องบันทึกวิดีโอเครือข่าย (NVR) จุดกึ่งกลางฝั่งสายเคเบิลจะเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของตัวควบคุม PSE และแจ็คจะถูกติดตั้งเรียงกันในพอร์ตที่จ่ายไฟอื่นๆ ความหนาแน่นของพอร์ตและการจัดการความร้อนจึงเป็นปัจจัยหลักในการเลือก

สำหรับฝั่ง PD เช่น กล้อง, จุดเชื่อมต่อสัญญาณ (access point), เซ็นเซอร์อุตสาหกรรม หรือ HMI จุดกึ่งกลางฝั่งสายเคเบิลจะจ่ายไฟให้กับบริดจ์เรกติไฟเออร์และตัวควบคุม PD แจ็คจะทำหน้าที่นำกระแสไฟฟ้าของพอร์ตเดียวเท่านั้น แต่ต้องนำจุดกึ่งกลางที่จ่ายไฟทุกจุดออกมายังพิน และมักจะถูกติดตั้งในตู้ปิดที่ไม่มีการไหลเวียนของอากาศ การตัดสินใจว่าควรวางอุปกรณ์แม่เหล็กไว้ภายในแจ็คหรือวางไว้ข้างๆ เป็นการตัดสินใจแยกต่างหาก ซึ่งครอบคลุมอยู่ในคู่มือของเราเรื่อง อุปกรณ์แม่เหล็กอีเทอร์เน็ตแบบรวม (integrated) เทียบกับแบบแยก (discrete) โดยค่าพิกัดด้านล่างนี้สามารถใช้ได้กับทั้งสองกรณี

ค่าพิกัดสามประการในการตัดสินใจเลือก PoE MagJack

PoE MagJack จะได้รับการรับรองตามค่าพิกัดสามประการ และตัวเลขหลักในเอกสารข้อมูลมักจะไม่ค่อยอธิบายถึงจุดปฏิบัติงานจริงของคุณ

• กระแสไฟฟ้าที่จุดกึ่งกลาง (Center-tap current): ขดลวดครึ่งหนึ่งและเส้นทางของจุดกึ่งกลางจะนำกระแสไฟฟ้าเต็มชุดคู่สาย ดังนั้นค่าพิกัดต้องครอบคลุมกระแสไฟฟ้าที่คลาสสูงสุดที่คุณรองรับต้องการ โดยต้องมีค่าเผื่อ (margin) ที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด ไม่ใช่ที่อุณหภูมิห้อง
• ค่า OCL ภายใต้ DC bias: ในอุดมคติ กระแสไฟฟ้า PoE จะไหลในทิศทางตรงกันข้ามผ่านขดลวดสองครึ่งและฟลักซ์จะหักล้างกัน แต่สายเคเบิลและหน้าสัมผัสจริงไม่มีทางสมดุลได้อย่างสมบูรณ์แบบ จึงยังคงมีกระแส DC สุทธิหลงเหลืออยู่และผลักดันให้แกนแม่เหล็กเข้าสู่สภาวะอิ่มตัว อุปกรณ์แม่เหล็กมาตรฐานอุตสาหกรรม 100BASE-TX ถูกระบุไว้ที่ 350 µH หรือมากกว่าด้วยค่า bias 8 mA แต่ที่กระแสไฟฟ้า PoE ความไม่สมดุลสัมบูรณ์จะมีขนาดใหญ่กว่า ดังนั้นควรอ่านค่า OCL ที่ระดับ bias ของ PoE
• การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ: การสูญเสียจากความต้านทานในขดลวดและเส้นทางจุดกึ่งกลางจะทำให้ชิ้นส่วนร้อนขึ้น ให้ตรวจสอบเทียบกับช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่กำหนด ซึ่งสำหรับชิ้นส่วนเกรดอุตสาหกรรมจะอยู่ที่ −40 ถึง +85 °C

การตรวจสอบที่คุณต้องทำกับแผนผังของคุณเอง: ค้นหาคลาสที่ PD ของคุณต้องการหรือ PSE ของคุณจ่ายให้ จับคู่กับประเภทและกระแสไฟฟ้าของชุดคู่สายในตารางด้านล่าง ยืนยันว่าพลังงานมาถึงที่คู่สายข้อมูล คู่สายสำรอง หรือทั้งสี่คู่ จากนั้นตรวจสอบในแผนผังภายในของแจ็คว่าเซ็นเตอร์แทปของทุกคู่สายที่มีการจ่ายไฟนั้นถูกนำออกมาใช้งานจริง ไม่ได้ถูกเชื่อมต่อเข้ากับเครือข่ายการสิ้นสุดสัญญาณ (termination network)

IEEE 802.3bt: สิ่งที่ Type 3 และ 4 ต้องการ

IEEE 802.3bt (2018) หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า PoE++ ได้เปลี่ยนการจ่ายไฟผ่านสายแลน (Power over Ethernet) จากสองคู่สายเป็นสี่คู่สาย โดย Type 3 จ่ายไฟ 60 วัตต์ที่ PSE และ 51 วัตต์ที่ PD ส่วน Type 4 จ่ายไฟ 90 วัตต์และ 71.3 วัตต์ คลาส 5 และ 6 จัดอยู่ใน Type 3 ในขณะที่คลาส 7 และ 8 จัดอยู่ใน Type 4

การจ่ายไฟแบบสี่คู่สายทำให้ความต้องการด้านแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนไปทั้งในเชิงประเภทและระดับ ไม่ใช่แค่ปริมาณ เซ็นเตอร์แทปฝั่งสายเคเบิลทั้งสี่ตัวต้องรองรับกระแสไฟฟ้า ดังนั้นแจ็คที่ออกแบบมาสำหรับการทำงานแบบสองคู่สายใน Type 1 หรือ Type 2 จึงไม่สามารถนำมาใช้กับ Type 3 หรือ Type 4 ได้ แม้ว่าจะมีขนาดพื้นที่ติดตั้ง (footprint) ที่ตรงกันก็ตาม นอกจากนี้ ภาระความร้อนยังเพิ่มขึ้นตามกำลังไฟฟ้ารวม ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดในอุปกรณ์ PD ที่มีตัวเครื่องปิดสนิท

กระแสไฟฟ้าต่อคู่สายใน Type 3 และ 4 ขึ้นอยู่กับคลาสและการแบ่งกระแสไฟฟ้าแบบสี่คู่สาย ดังนั้นควรดูข้อมูลจากเอกสารข้อมูล (datasheet) ของแจ็คโดยตรง แทนการคาดคะเนจากตัวเลขของ Type 2 ผู้ผลิต RJ45 modular jack ส่วนใหญ่จึงแยกชิ้นส่วนสำหรับ PoE++ ออกจากชิ้นส่วนสำหรับ PoE และ PoE+ ด้วยเหตุผลนี้เอง

Multi-Port PoE: ความร้อนที่สะสมในแจ็คแบบกลุ่ม (Ganged Jacks)

พอร์ตจ่ายไฟเพียงพอร์ตเดียวมักไม่ก่อให้เกิดปัญหาด้านความร้อน แต่ PSE ที่สร้างขึ้นบน multi-port RJ45 connectors แบบ 1xN หรือ 2xN จะรวมชุดขดลวดจ่ายไฟจำนวนมากไว้ในตัวเรือนเดียว และความร้อนจากแต่ละพอร์ตจะส่งผลต่อพอร์ตข้างเคียง พอร์ตด้านในสุดจะมีอุณหภูมิสูงที่สุดเนื่องจากถูกล้อมรอบด้วยพอร์ตอื่นทั้งสองด้าน

ควรลดระดับการใช้งาน (derate) ตามเอกสารข้อมูลของอุปกรณ์แบบหลายพอร์ตแทนที่จะใช้ตัวเลขของพอร์ตเดี่ยว วางแผนการไหลเวียนของอากาศผ่านแถวของแจ็ค และพิจารณาคลาสสูงสุดที่รองรับในทุกพอร์ตพร้อมกันเป็นกรณีศึกษาในการออกแบบ ซึ่งเป็นสภาวะที่สวิตช์ที่ใช้งานเต็มประสิทธิภาพจะต้องเผชิญในที่สุด

ประเภทของ PoE และสิ่งที่อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าต้องรองรับ

คำถามที่พบบ่อย

PoE+ เหมือนกับ 802.3at หรือไม่?

ใช่ — PoE+ เป็นชื่อเรียกทั่วไปของ IEEE 802.3at (2009) หรือที่กำหนดให้เป็นประเภท 2 โดยจ่ายไฟ 30 วัตต์ที่ PSE และ 25.5 วัตต์ที่อุปกรณ์ปลายทาง (Powered Device) ที่กระแส 600 มิลลิแอมป์ต่อคู่สาย ส่วน PoE หมายถึง IEEE 802.3af (ประเภท 1) และ PoE++ หมายถึง IEEE 802.3bt (ประเภท 3 และ 4)

ฉันต้องใช้แม่เหล็ก (Magnetics) แบบใดสำหรับ PoE?

คุณจำเป็นต้องใช้แม่เหล็กที่รองรับ PoE ประเภทของคุณ โดยต้องมีจุดกึ่งกลาง (center taps) สำหรับทุกคู่สายที่จ่ายไฟ, อัตรากระแสไฟฟ้าของจุดกึ่งกลางที่ครอบคลุมกระแสของคู่สายนั้นๆ และค่า OCL ที่ระบุภายใต้สภาวะ DC bias ระดับ PoE ทั้งนี้ระดับความเร็วและระดับ PoE เป็นข้อกำหนดที่แยกจากกัน ดังนั้นควรตรวจสอบทั้งสองค่าในเอกสารข้อมูลแทนการสันนิษฐานว่าค่าหนึ่งจะครอบคลุมอีกค่าหนึ่ง

MagJack ที่ไม่ใช่ PoE สามารถนำกระแส PoE ได้หรือไม่?

ไม่ได้ — ไม่ควรใช้ MagJack ที่ไม่ใช่ PoE กับพอร์ตที่มีการจ่ายไฟ เนื่องจากจุดกึ่งกลาง (center taps) ฝั่งสายเคเบิลมักจะเชื่อมต่อผ่านเครือข่ายตัวต้านทาน และขดลวดไม่ได้ถูกออกแบบมาให้รองรับกระแส PoE หรือความไม่สมดุลที่เกิดขึ้น ทั้งนี้ PSE ที่ได้มาตรฐานจะตรวจจับลายเซ็น PD ที่ถูกต้องก่อนจ่ายไฟ แต่ตัวจ่ายไฟแบบพาสซีฟ (passive injector) จะจ่ายแรงดันไฟฟ้าโดยไม่คำนึงถึงสิ่งนี้

802.3bt จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กแบบสี่คู่สายหรือไม่?

ใช่ สำหรับการทำงานประเภท 3 และประเภท 4 เนื่องจาก IEEE 802.3bt จ่ายไฟผ่านทั้งสี่คู่สาย ดังนั้นจุดกึ่งกลาง (center taps) ทั้งสี่จุดของฝั่งสายเคเบิลจึงต้องมีกระแสไหลผ่านและต้องได้รับการออกแบบมาให้รองรับตามนั้น MagJack แบบ PoE หรือ PoE+ สองคู่สายไม่สามารถนำมาใช้ทดแทนได้ แม้ว่าจะมีขนาดพื้นที่ติดตั้ง (footprint) ที่ตรงกันก็ตาม

ฉันสามารถใช้ PoE MagJack จากแหล่งผลิตอื่น (second-source) โดยไม่ต้องทดสอบบอร์ดใหม่ได้หรือไม่?

โดยส่วนใหญ่แล้วทำได้ หากชิ้นส่วนทดแทนมีคุณสมบัติที่ตรงกันมากกว่าแค่ขนาดพื้นที่ติดตั้ง โดยจะต้องมีค่าเท่ากับชิ้นส่วนเดิมในด้านประเภทของ PoE, พิกัดกระแสไฟฟ้าของเซ็นเตอร์แทป (center-tap), โครงสร้างภายในของเซ็นเตอร์แทป, ค่า OCL ภายใต้สภาวะไบแอส, ช่วงอุณหภูมิการทำงาน และการกำหนดค่า LED ทั้งนี้ เครื่องมือเทียบรุ่น RJ45 จะช่วยคัดกรองรายการชิ้นส่วนที่เหมาะสมโดยอ้างอิงจากหมายเลขชิ้นส่วนเดิม และคุณสามารถขอรับชิ้นส่วนทดแทนแบบวางแทนที่ได้ทันที (drop-in equivalents) ตัวอย่างสินค้า และแบบวาดทางกลเพื่อตรวจสอบความถูกต้องได้ตามคำขอ

การเลือกอุปกรณ์แม่เหล็กสำหรับ PoE ขึ้นอยู่กับประเภทของ PoE และจำนวนคู่สายที่คุณต้องรองรับ รวมถึงพิกัดกระแสไฟฟ้าของเซ็นเตอร์แทปที่เหมาะสมกับคลาสสูงสุดของคุณที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด และค่า OCL ที่อ่านได้จากระดับไบแอสของ PoE แทนที่จะเป็นตัวเลขหลักที่ไม่ได้ใช้ PoE โปรดตรวจสอบโครงสร้างภายในของเซ็นเตอร์แทปบนแผนผังวงจรก่อนเริ่มการจัดวางเลย์เอาต์ เนื่องจากเป็นค่าเดียวที่ขนาดพื้นที่ติดตั้งที่ตรงกันไม่สามารถระบุได้