VOOHUの詳しい解説：PoEスイッチ（PSE側）マルチポートネットワークポート設計 -マルチポート統合磁気 RJ45、ネットワーク変圧器バイアスおよびポート クロストーク/熱放散ピットの回避

はじめに: なぜ 8 ポート PoE スイッチは「全負荷電源供給」時に常に転倒するのでしょうか?

PoE スイッチは、最も「作成しやすい」ボードの 1 つであると思われます。ギガビット ネットワーク ポートを 8 回または 16 回コピーして貼り付け、スイッチング チップを接続するだけで完了です。しかし、実際に PSE (電源装置) 側の設計を行ったエンジニアは皆、このボードが研究開発段階で最も転倒しやすいことを知っています。負荷が使用されていない場合、8 つのポートはギガビットをネゴシエートし、すべてが正常です。 8 台の IP カメラ、ワイヤレス AP、またはアクセス制御装置が同時に接続され、PoE がフルパワーで電力供給されると、問題が発生します。ポート速度はランダムに 100 Mbit/s に低下し、ケーブルが長いとパケット損失率が大幅に増加します。ネットワーク ポート領域を触ると熱く、全負荷で 2 時間動作させると温度上昇がデバイスの上限に近づきます。 EMC 放射試験中、ノイズのピークはまさに​​密集領域で発生します。雷雨が到来すると、コモンモード サージによって 1 つのポートではなく列全体が破壊されることがよくあります。

これらの障害に共通するのは、根本原因がソフトウェア層やプロトコル層では見つからず、最終的には磁気コンポーネント、終端ネットワーク、保護装置、物理層の PCB レイアウトにすべて帰着するということです。もっと重要な点は見落とされがちです。 PSE ポートと PD (受電装置) ポートは「PoE を備えたネットワーク ポート」のように見えますが、エンジニアリング上、これらは 2 つの異なるものです。PD 側のボードには通常、受電ポートが 1 つしかありませんが、PSE 側には同じ PCB 上に 8 ～ 24 個のポートが並べて必要であり、各ポートはギガビット差動信号に連続 DC 電源電流を重畳する必要があります。数値が大きいと、磁気バイアス、クロストーク、熱、サージがポート数に応じて増幅されます。

技術分析: PSE ポートに関する 5 つの物理層の真実

1. DC バイアス: PSE 側は「通常の圧力」下にあり、一時的な動作条件ではありません。

Power over Ethernet は、ネットワーク変圧器のセンター タップを介して DC を注入します。代替案 A は 1/2 および 3/6 ライン ペアを使用し、代替案 B は 4/5 および 7/8 ライン ペアを使用し、802.3bt は 4 つのペアに同時に電力を供給します。 DC 電流がトランス巻線を流れると、磁気コア内に静磁場が発生し、磁気コアの動作点が B-H 曲線の中点からバイアス点に押し上げられます。等価な結果は、開回路インダクタンス (OCL) が減少することです。 OCLが低下すると、低周波帯域(100kHz～1MHz)におけるトランスのインピーダンスも低下します。最も直接的な結果は、1000BASE-T のリターンロスが低周波数端で不適格であり、差動出力電圧テンプレート (Template) が貧弱すぎて、リンクの信号対ノイズマージンが食い尽くされてしまうことです。これは、「ネゴシエーションがギガビットに到達できず、自動的に 100M に低下する」「長いケーブルの下ではパケットが失われ、ビット エラー レートが増加する」という形でシステムに現れます。

エンジニアリングにおいて注意すべきことは、ワイヤの各ペアの電流です。802.3af ではペアあたり約 350mA です。 802.3at (PoE+、30W) には 2 ペアの電源があり、各ペアの電流は約 600mA です。 802.3bt タイプ 3 (60W) には 4 ペアの電源があり、各ペアの最大電源は約 600mA です。タイプ 4 (90W) には 4 ペアの電源があり、各ペアの最大供給電力は約 960mA ～ 1A です。選択ルールは簡単です。ネットワーク変圧器の PoE 定格バイアス電流は、ポートの各ペアの最大電流以上でなければならず、30% ～ 50% のマージンを残してください。同時に、メーカーが指定した OCL が「バイアス電流あり」の最小値であり、PoE がない状態での美しい数値ではないことを必ず確認してください。 「試作品は良いのに量産が遅れる」ケースの多くは、このマージンに起因しています。

2. マルチポート統合磁気 RJ45 とディスクリート ネットワーク トランス: 節約できるのは面積ですが、代償となるのは熱放散とクロストークです。

PSE 側での最も一般的な選択は、2x4 や 1x8 などの複数のポートを使用することです。統合された磁気 RJ45 コネクタ(SYTシリーズ、ネットワークトランスとコモンモードチョークはコネクタに挿入されます)、または使用します。ディスクリートギガビットネットワークトランスフォーマー(WHSG シングル ポート、WHDG デュアル ポート) プラス純粋な RJ45 コネクタ。統合ソリューションの利点は明らかです。PCB 面積が大幅に節約され、コネクタから PHY までの差動配線の長さが大幅に短縮され、ポートの一貫性とパネルの整頓性が良好で、生産ラインの取り付けと在庫管理が簡単です。これは、8-ポート/16-ポートのデスクトップおよびコンシューマーグレードの PoE スイッチに特に適しています。

価格も同様に明確です。 1 つ目は放熱です。磁気部品はプラスチック ケースに密閉されており、巻線の I²R 損失は放散できません。 ８ポートモジュールのホットスポットが重畳されてしまう。 PoE が完全に負荷されると、内部温度の上昇はディスクリート ソリューションの場合よりも 10 ～ 20°C 高くなります。 2 つ目はポート間の絶縁です。マルチポート モジュールの内部差動ペア間隔が圧縮され、ポート間のクロストーク (NEXT/PSANEXT) およびサージ クロストーク パスが短くなります。第三に、オプションの仕様が制限されています。統合モジュールの PoE 電流レベル、Hi-Pot 耐電圧 (通常 1500Vrms)、および動作温度範囲は、ディスクリート コンポーネントほど豊富ではありません。したがって、経験的な基準は次のとおりです。非 PoE または PoE+ (≤30W)、ポート数 ≤16、消費者/商用デスクトップのシナリオ、磁気 RJ45 の統合が優先されます。 PoE++ (802.3bt タイプ 3/タイプ 4、60W/90W)、産業用または屋外用、広い温度範囲 - 40~+105℃、および 2.25kV 以上の絶縁が必要なシナリオ。熱源を分散させるため、ディスクリートネットワークトランスや独立コネクタを優先し、十分な仕様を選択してください。

3. ポート間のクロストークとボブ・スミス終端: 最も一般的なのは「共有終端」です。

マルチポート ボードで最も頻繁に発生する回路図エラーは、複数のポートの Bob Smith 終端ネットワークをマージすることです。8 つのポートがシャーシ グランドに接続された 1000pF/2kV コンデンサを共有しているか、各ポートの 75Ω 端子が同じノードに接続されています。これにより、いくつかの材料が節約されますが、8 つのポートのコモンモード ループが強制的に接続されます。 1 つのポートのコモンモード ノイズとサージ エネルギーは隣接するポートに直接伝達され、NEXT を悪化させ、放射性エミッションを増加させます。サージ試験中に「1つのポートが壊れて列全体が損傷する」という現象は、ほとんどがこれによって引き起こされます。正しいアプローチは、各ポートに独立した Bob Smith ネットワークを設けることです。75Ω (またはトランス データ マニュアルで推奨されている値) の 4 つのチャネルがこのポートのノードに接続され、ポート自体の 1000pF/2kV 高電圧コンデンサを介して 1 点でシャーシ グランドに接続されます。 RJ45をシールドする金属シェルも、ポート間に低抵抗のコモンモードパスが形成されるのを避けるために、ポートに応じて一点で接地されます。

レイアウトには 3 つの厳しいルールがあります。差動ペアは正確に同じ長さである必要があり、内部偏差は妥当な範囲内に制御され、ライン間で 100Ω の差動インピーダンスが維持される必要があります。変圧器（または統合された RJ45）の下の基準面は、「ケーブル側」と「システム側」を明確に分離するために絶縁ゾーンで処理する必要があります。ポート領域のトレースは、他のポートの磁性部品の真下を通過してはなりません。そうしないと、デバイスがどれほど優れていても、レイアウトによって生じる結合を保存できなくなります。

4. 雷サージ: PSE ポートは PHY だけでなく、PSE コントローラーと MOSFET も保護する必要があります。

PSE ポートには数十メートル、場合によっては数百メートルの長さの外部ケーブルが接続されており、雷の誘導によって発生するコモンモード サージがよく発生します。安全なアプローチは、やはり 3 つのレベルの協力を使用することです。最初のレベルでは、ガス放電管 GDT（WHGD090V1P0B、90V DCブレークダウンなど）は、変圧器に入る前にキロボルトレベルのコモンモードエネルギーを伝導するための対地放電に使用されます。第 2 段はネットワーク変圧器自体の絶縁耐圧 (1.5kV ～ 4kV Hi-Pot) に依存して残りのコモンモード電圧を負担します。 3段目はセンタータップとPoE給電レール側で使用します双方向テレビ(WHTB058VA、58Vレベルなど)クランプ - 48V/57V 電源レール上の PSE コントローラとパワー MOSFET は PHY よりも高価で壊れやすいため、このレベルは PSE 側で特に重要です。サージがセンタータップに沿って電源レールに流れ込むと、多くの場合、最初にサージが侵入します。抜き差しによる接触放電に耐えるために、低容量のESDアレイがPHY側に追加されています。保護デバイスはポートごとに個別に構成する必要があります。共有すると、分離されたばかりのクロストーク パスが再開されます。既製のリファレンス回路が必要な場合は、VOOHU の回路を直接使用できます。PoEソリューションページ屋外 4kV/6kV 雷保護リファレンス デザイン (電圧タイプと電流タイプ PHY を区別)。

5. 熱と電力のバジェット: I²R は目に見えないキラーです

多くの人は PSE の出力電力バジェットを計算するだけです: 8 ポート × 30W = 240W、電源は 300W が選択されます。ポートエリアの温度上昇を制御不能にする本当の原因は、目に見えない I²R 損失です。 802.3bt Type 3 を例にとると、ワイヤの各ペアは 600mA で、1 つのポートが 4 ペアの電源を提供します。ネットワークトランスの各巻線の DC 抵抗 (DCR) が 0.6Ω 程度の場合、磁気部品だけの銅損は 0.9W 近くになります。 8 つのポートを重ね合わせると、パネルの片面の数平方センチメートルに約 7W の熱が集中することになります。 PSE MOSFETの導通損失と検出抵抗の発熱を考慮すると、ホットスポット温度は85℃を軽く超えます。対策としては 3 つあります。DCR が低く、動作温度レベルが少なくとも -40 ～ +85℃ (産業用および屋外での推奨値 -40 ～ +105℃) のネットワーク トランスを選択します。 PCB 上の熱源を分離するために、高出力ポートにディスクリート ネットワーク トランスを使用することを優先します。磁気部品と PSE パワーデバイスの下に完全な銅箔とビアアレイを保持し、熱を放散するためにエアダクトを使用します。

解決策: VOOHU PSE ポート選択の推奨事項

上記5項目を材質番号に当てはめると、実際にPSE側での選択を早見表にすることができます。交換マスターはVOOHUプロキシを使用できますイーサネットスイッチングチップ(例: JL5108C -2.5G/5G BASE-T ネットワークトランス(WHSQ/WHDQシリーズ)。次の表に、一般的なポートのシナリオに基づいた磁気コンポーネントと保護構成の推奨組み合わせを示します。

モデルを選択する際に見落とされやすい詳細が 2 つあります。まず、統合磁気 RJ45 の PoE 電流レベルは、「標準負荷」ではなく「ポートの最大電力レベル」に基づいて選択する必要があります。オンサイト ユーザーが 30W ドーム カメラを 60W PTZ マシンに置き換えるのは通常のことです。第 2 に、ネットワーク変圧器の Hi-Pot 電圧はマシン全体の安全要件と一致している必要があります。通常、屋内のデスクトップ スイッチには 1500Vrms で十分ですが、強力な電力を使用する同じキャビネット内の屋外 PSE または産業シナリオの場合は、2.25kV または 4kV 仕様を直接選択し、GDT と組み合わせて完全な放電パスを形成する必要があります。

結論: PSE ポートの信頼性をデバイスの選択に組み込む

PoE スイッチの PSE ポート設計の本質は、「信号の完全性 - 電源供給能力 - 保護レベル - 熱 - コスト」の 5 つの側面で体系的なバランスをとることであり、このバランスの最終点は、磁気コンポーネント、コネクタ、および保護デバイスの特定のモデルです。各ワイヤペアのバイアス電流を明確に計算し、最大電力レベルに応じて十分なマージンを残し、ポート数と電力密度に応じて統合するか分離するかを決定し、各ポートの独立した終端とレベル3保護を主張し、PCB上の熱を分散します。これら 4 つのことが適切に行われていれば、ポートが適合性テスト、EMC、およびサージ認定に合格する確率が大幅に向上し、後の修正や再作業にかかる時間を大幅に節約できます。

VOOHU の 10/100M から 18G BASE-T までのフルレート ネットワーク トランス、SYT シリーズ マルチポート統合磁気 RJ45、GDT/TVS/ESD 保護デバイスからイーサネット PHY およびスイッチング チップまで、1 つのプラットフォーム上で PSE ポートのリンク選択全体を完了し、OCL にバイアス条件、リターン ロス、CMRR 測定データ、およびリファレンス PCB レイアウトを提供できます。選択についてご不明な点がございましたら、各ネットワーク ポートの信頼性、安定性、量産性を確保できるよう、ポート数、PoE レベル、速度、認定要件をお知らせください。

よくある質問 (FAQ)

Q1. PoE が完全にロードされると、ギガビット リンクは 100 Mbit/s に低下します。必ずしもネットワークトランスに問題があるのでしょうか？

必ずしもそうではありませんが、インターネットの変更が最初に疑われます。最初に PoE をオフにして再テストします。PoE をオフにした後はギガビットが安定しているが、PoE をオンにすると速度が低下する場合は、基本的に DC バイアスによって OCL が低下し、低周波リターンロスが標準を超えていると判断できます。 PoE をオフにしても速度が低下する場合は、差動ペアのインピーダンスと等しい長さ、ボブ・スミス終端、および PHY 側のマッチング抵抗をチェックする必要があります。

Q2.ネットワーク変圧器の PoE 電流は、ポートの合計電力に基づいて計算する必要がありますか、それともラインの各ペアの電流に基づいて計算する必要がありますか?

各ワイヤペアの最大電流に基づいて計算されます。 802.3afは約350mA/ペア、802.3at(30W)は約600mA/ペア、802.3btタイプ3(60W)は4ペア通電時最大約600mA/ペア、タイプ4(90W)は最大約960mA～1A/ペアです。ネットワーク変圧器の PoE 定格バイアス電流は、30% ～ 50% の余裕をもって、この値を下回ってはなりません。

Q3. 8 ポート PoE スイッチの場合、1 つのマルチポート統合磁気 RJ45 を使用する必要がありますか、それとも 8 つの個別のネットワーク スイッチを使用する必要がありますか?

電力密度や使用環境によって異なります。非 -PoE または PoE+ (≤30W)、ポート数 ≤16、民生用/商用デスクトップ製品、マルチポート統合磁気 RJ45 が優先され、面積と配線が節約されます。 PoE++ (60W/90W)、産業用または屋外用、40~+105℃または2.25kV以上の絶縁が必要な場合、熱源を分散させて十分な仕様を選択するために、ディスクリートネットワークコンバータと独立したRJ45が優先されます。

Q4.複数のポートが Bob Smith 終端を備えた高電圧コンデンサを共有できますか?

お勧めしません。共通終端は各ポートのコモンモード ループを相互に接続し、ノイズとサージ エネルギーがポート間で交差する原因となり、NEXT を悪化させ、放射性エミッションを増加させます。サージ試験では「1つのポートが列全体にダメージを与える」ということがよく起こります。正しいアプローチは、各ポートに独立した 75Ω×4 終端を備え、それを独自の 1000pF/2kV コンデンサを介して単一点でシャーシ グランドに接続することです。

Q5. PSE ポートには何レベルのサージ保護が必要ですか? TVS電圧はどのように選択すればよいですか?

屋外または長いケーブルのシナリオでは 3 つのレベルが推奨されます。ライン-対-アース GDT (WHGD090V1P0B、90 V DC ブレークダウンなど) が主エネルギーを放電します。ネットワーク変圧器の 1.5kV ～ 4kV 絶縁は残留コモンモード電圧に耐えます。センタータップとPoE電源レール側は双方向TVS（58V-レベルWHTB058VAなど）でクランプされ、PSEコントローラーとパワーMOSFETを保護します。 PHY 側には低容量 ESD アレイが追加されています。

Q6.ネットワークポートエリアの温度が上昇した場合、より強力な電源に変更することで解決できますか?

できません。温度上昇は主に、ポートのローカル I²R 損失によって発生します。ネットワークトランス巻線の銅損、PSE MOSFETの導通損失、検出抵抗の発熱などであり、電源マージンとは関係ありません。低い DCR および -40 ～ +85℃ (業界推奨 -40 ～ +105℃) のネットワークトランスを選択する必要があります。高出力ポートでは、熱源を放散するためにディスクリート ネットワーク トランスを使用し、熱放散のためにエア ダクトと連携するためにデバイスの下に銅箔とビア アレイを保持する必要があります。

Q7. 2.5G/5G アップリンク ポートは引き続きギガビット ネットワーク トランスを使用できますか?

お勧めしません。 2.5G/5GBASE-T には、挿入損失と反射損失に対するより厳しい要件があります。ギガビット ネットワーク コンバータは、高周波数帯域でのマージンが不十分で、リンクが不安定になったり、ビット エラーが発生したりする傾向があります。アップリンク ポートは、2.5G/5G 専用ネットワーク トランス (WHSQ24015P1、WHDQ96504P2 など) を選択し、容量性負荷による信号の完全性の低下を避けるために、低容量 (≤0.5pF) ESD アレイを装備する必要があります。