シングルペアPoE（Power over Ethernet）が新しいアプリケーションの展望を開く

PoE（Power over Ethernet）は、Ethernetケーブル上で電力を供給するために何年も前から利用可能でしたが、使用可能距離が100メートル以下という制限のためその使用は限定的なものでした。現在、シングルペア Power over Ethernet (SPoE) という画期的な技術が登場しています。これは、Ethernetケーブル内の1本のツイストペアを使用して電力とデータを長距離伝送することを可能にするIEEE標準技術であり、革新的なアプリケーションのための新たなフロンティアを開くものです。

デバイス間のデータ通信に技術的に確立され、広く利用されているイーサネットは、4対のツイスト銅線を使用してデータ信号を伝送し、各対でデータフローの1方向を伝送します。Ethernetを使用する機器は、一般的に別の電源も必要とするため、配線や設置のコストがかさみます。

PoE（Power over Ethernet）は、Ethernet規格の拡張機能として開発されたもので、2対の電線をデータ伝送用に、残りの2対をデバイスへの電力供給用に使用することで、デバイスが同じケーブルでデータと電力の両方を受け取ることを可能にします。

PoEは最大90Wの電力を最大100mの距離まで供給できます。その結果、IPカメラ、ワイヤレスアクセスポイント、VoIP電話、スマート照明システムなど、1本のケーブルで導入および給電できるPoEアプリケーションが生まれました。しかし、距離の制限に加え、PoEの課題には、大電流と高電圧に対応できる大型の高価なコネクタとケーブルの必要性、電力損失、放熱などがあります。

SPoEの導入

SPoEは、既存のRJ45ソケットと互換性のある小型でコスト効率の高いコネクタとケーブルを使用し、データと電力の両方を伝送するために1対のワイヤを使用するだけで、最大1Gbpsのデータ転送速度と最大1kmのケーブル長で最大52Wの電力を供給することができます（図1）。

図1：最大52Wの電力を伝送するSPoEシステム。（画像提供： Analog Devices）

コストの削減と実装の簡素化により、SPoEは産業、自動車、ビルディングオートメーション、IoT環境など、新たなケーブル敷設や無線LANのみに頼ることが非現実的、コスト高、あるいはその両方であるような幅広いアプリケーションに適しています。送電状態の監視、故障検出、過電圧保護など、包括的なシステムの遠隔測定を提供します。

産業環境では、SPoEは、ローカル電源を追加することなく、長距離にわたってセンサや制御機器に電力を供給することができ、ネットワークインフラを簡素化し、設置コストを削減し、中央電源管理機能を提供します。既存のEthernetケーブルを経由して電力を供給できるため、SPoEスイッチやエンドポイントの追加が迅速かつ比較的簡単に行えます。

SPoEは、IEEE802.3規格の一部であり、シングルツイストペア（10Base-T1L）を介した10Mbps Ethernet用のIEEE802.3cgで、IEEE802.3buのPoDL（Power over Data Lines）規格を拡張したものです。PoDLは最大40m、12、24、48ボルトのシステムで使用され、SPoEは最大1000mで、24Vまたは55Vの電圧で動作します。

SPoEは、PoEでは実現不可能または不経済な、低から中程度の電力と長距離での高いデータ転送速度を必要とするアプリケーションに最適です。

SPoEの潜在的な用途には以下のようなものがあります。

• 信頼性の高い通信と電力供給がプロセス制御とオートメーションに不可欠な運用技術システム
• 環境および機械パラメータを監視および制御できるビルおよび工場の自動化システム
• より柔軟かつ低コストで導入できるセンサやアクチュエータなどのフィールド機器
• 入退室管理や監視など、SPoEがより容易に拡張できるセキュリティシステム
• 一貫した運用とコネクティビティを必要とする交通管理システム
• IoTエッジデバイスへの電力供給と管理
• デジタルサイネージと屋外照明の遠隔電源供給

SPoE設計時の考慮事項

SPoEは、「ファンタム電源」技術を使用して、同じペア上のデータ信号に電力信号を重ね合わせるため、ケーブルの両端には、電力信号とデータ信号を分離、調整するための複雑なコントローラが必要となります。アプリケーションはまた、システムの性能と信頼性に影響を与える可能性のある、ケーブルによる電力損失と熱放散を考慮しなければなりません。

給電デバイス（PSE）コントローラは、電力供給が安全、安定、効率的であることを保証する高度な電力管理と変換を提供します。2線式ケーブルでエネルギーを受け取る受電デバイス（PD）コントローラと組み合わせて使用します。

多チャンネル用に設計されたPSEコントローラは、センサなどのさまざまなリモート機器に電力を供給できます。たとえば、Analog Devices（ADI）のLTC4296-1（図2）は、5ポートのSPoEコントローラで、それぞれ長さ1000mまでの5本のラインで最大5つの負荷にエネルギーを供給することができます。LTC4296-1は、ドレインとソース間のオン抵抗（R_DS(ON)）が低い外付けNチャンネルMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を使用して電力を供給することで、電圧降下を最小限に抑え、アプリケーションの堅牢性を確保します。

図2：ADIの5ポートLTC4296-1給電デバイス（PSE）コントローラ。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

LTC4296-1 は、10BASE-T1L コントローラおよびスイッチ用の汎用SPoE、PSEソリューションを提供し、ADIの10BASE-T1L トランシーバ製品ラインアップのコンポーネント（スイッチ、MACインターフェースと関連アナログ回路を備えた2つのEthernet物理層（PHY）コア、電圧供給監視回路、およびパワーオンリセット（POR）回路を集積したADIN2111CCPZ-R7 2ポートデバイスなど）と容易に統合できます。トランシーバは、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）を介してさまざまなコントローラと直接接続できます。

もう一方の端にあるLTC9111RDE#PBFは、極性補正付きで2.3V～60Vの動作範囲能力を提供するADIのいくつかのPDコントローラの1つです（図3）。コントローラは、線路伝送の分類と監視を管理し、分類中に2つの外部NチャンネルMOSFETスイッチをマイクロパワーで駆動し、リザーバコンデンサの要件を最小限に抑えます。分類と突入の実施中、1個の外付けNチャンネルMOSFETスイッチは、出力コンデンサ容量をコネクタから絶縁します。

図3：LTC4296-1 SPoE PSEコントローラは最大5チャンネルの駆動に適しており、ここではLTC9111 PDコントローラにリンクされています。（画像提供：Analog Devices）

LTC9111シリーズコントローラは、PSEに有効なウェイクアップシグネチャを提示して電源を要求します。IEEE802.3cg準拠のPSEとPDコントローラは、シリアル通信分類プロトコルを使用して分類ステップを実行します。PSEはPDが互換性があることを確認し、互換性がある場合はポート電圧のランプ化を進めます。操作する電気機器が24Vまたは55V以外の電圧を必要とする場合は、追加のDC/DCコンバータを使用します。

ADIはまた、1本のツイストペアEthernet（SPE）ケーブルで10BASE-T1LデータとSPoE電源を評価するためのEVAL-SPoE-KIT-AZ評価キットも提供しています。このキットには、IEEE 802.3cgクラス10～15 SPoE電源評価用のLTC4296-1 PSEコントローラとLTC9111 PD、およびシステム内のデータ供給用の10BASE-T1Lトランシーバが搭載されています。

SPoEアプリケーションの実装

製品設計者は、ケーブルの長さ、直径、抵抗、温度、環境などのパラメータを考慮しながら、SPoEソリューションのパワーバジェットと効率を最適化する必要があります。

1本のツイストペアによるデータ伝送と電力供給のバランスをとるには、長距離になる可能性のあるデータの完全性を維持しながら、リモート機器に十分な電力を確保するといった課題があります。

多くのOT配備で一般的なDC24V電源電圧での長いケーブルでの電力供給は、ケーブル抵抗による大きなロスがあります。SPoEはIEEE 802.3cg規格で24Vまたは55Vの電圧で動作するよう規定されているため、設計者は最大60Vの安全特別低電圧（SELV）付近で電力供給効率の向上を利用できます。

まとめ

SPoEは、Ethernetケーブルの1本のツイストペアでデータと電力を同時に伝送できる新しい技術です。これにより、ネットワークインフラのコスト、複雑さ、環境への影響を低減し、コネクテッドデバイスの柔軟性、拡張性、信頼性を高めることができます。ADIのIEEE 802.3cg準拠PSEおよびPDコントローラの製品ラインアップは、高効率と低ノイズでSPoEアプリケーションの設計と実装を簡素化することができ、堅牢で信頼性の高いコネクティビティを必要とする産業、自動車、スマートビルディングシステムに最適です。