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Tornare in ufficio con Power Over Ethernet 2 di ADI

Le applicazioni del PoE di Analog Devices sono in costante crescita. Christopher Gobok, Product Marketing Director di ADI ci illustra i motivi in questo articolo.

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La Redazione

La versione più recente dello standard Power over Ethernet (PoE) dell’IEEE, conosciuta anche come PoE 2 o 802.3bt (precedentemente nota sotto il nome di PoE++), ha appena compiuto 3 anni. ma la sua applicazione sta ancora crescendo, più forte che mai. Nonostante l’aumento del lavoro da remoto, a causa della pandemia il numero di porte Ethernet alimentate che viene implementato ogni anno è in continua crescita. Avendo le scrivanie libere, le aziende hanno colto l’occasione per aggiornare le infrastrutture IT, creando postazioni per il futuro nella speranza di un ritorno al loro pieno utilizzo. Creare un ufficio smart presuppone l’equipaggiamento dei suoi spazi con molteplici dispositivi IoT connessi a internet, inclusi i sistemi di segnaletica per sale riunioni, apparati per teleconferenza e sensori vari. I vantaggi dello smart office implicano risparmi energetici, semplificazione delle operazioni commerciali e, aspetto forse ancora più importante, un aumento della sicurezza del posto di lavoro per tutti gli impiegati. Il COVID-19 ha soltanto anticipato il bisogno di sistemi (HVAC) di riscaldamento, ventilazione e condizionamento ben controllati negli edifici, nonché di numerosi oggetti contactless di uso comune, spingendo alla collaborazione i manager dei reparti logistici e IT per sviluppare sistemi abilitati al PoE. Secondo le analisi svolte da 650 società di ricerche di mercato, si prevede che nel 2025 il numero di switch/porte PoE installate nel mondo supererà i 150 milioni.

Quando venne ratificato nel 2018, il PoE 2 forniva al dispositivo alimentato (PD) fino a 71,3 W, arrivando quasi a triplicare i 25,5 W dello standard precedente. Il PoE 2 permette di veicolare l’alimentazione sullo stesso cablaggio “gigabit Ethernet”, ponendo le basi per molte applicazioni del passato, presente e futuro, riguardanti casi in cui sono richiesti grandi moli di dati ed energia; compresi sistemi di monitoraggio remoto della temperatura e termo-camere utilizzate per i controlli COVID-19 effettuati sul personale ai varchi d’ingresso dei luoghi di lavoro.

La Figura 1 illustra un semplice schema a blocchi del PoE, con un singolo PD collegato  al sistema di alimentazione (Power Sourcing Equipment, PSE). Nelle generazioni di PoE precedenti, per alimentare ciascuna porta era sufficiente un singolo canale d’alimentazione, mentre  oggi siamo arrivati velocemente all’802.3bt nel quale, per livelli di potenza medi ed elevati, si richiedono due canali d’alimentazione per porta dovendo anche considerare valori di densità di potenza per canale maggiori. Il mercato Ethernet globale ha assistito a un continuo aumento di crescita  riguardante l’uso delle porte abilitate al PoE. Tutti questi fattori hanno permesso che i reparti IT distribuissero un gran numero di sistemi a elevata densità di potenza, con un notevole numero di porte, il tutto con livelli di affidabilità e disponibilità di sistema a “cinque nove” (99,999%). Un sottosistema PoE realmente scalabile, che facilitasse lo sviluppo di un numero di porte e elevato, con switch abilitati al PoE, era atteso da tempo.

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Figura 1. Schema a blocchi di un collegamento Power over Ethernet.

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Figura 2. Schema semplificato del chipset PSE PoE 2 24-porte LTC9101/LTC9102/LTC9103.

Come pioniere del PoE, in qualità di membro della task force IEEE 802.3bt e partecipante attivo dell’Ethernet Alliance, Analog Devices è da lunga data il principale fornitore di controller PSE e PD dell’industria, contribuendo alla diffusione delle centinaia di milioni di porte attualmente installate sul campo. Il chipset PSE ADI di recente rilascio LTC9101, LTC9102 e LTC9103  a elevato numero di porte e qualsiasi controllore PD PoE 2 di ADI consentono agli sviluppatori di offrire un sistema PoE 2 end-to-end completo. Diamo uno sguardo ravvicinato a ciò che rende speciale questa nuova piattaforma sul mercato odierno.

Un approccio platform-Based per la progettazione di un PSE

Gli switch moderni sono sistemi altamente complessi, generalmente esposti a condizioni ambientali critiche – inclusi sbalzi di tensione e scariche elettriche sui cablaggi; e devono offrire livelli elevati di affidabilità e disponibilità di sistema. In passato, gli approcci all’architettura del PSE si basavano su una progettazione dei sottosistemi a livello di componente, incentrati sui miglioramenti incrementali del componente stesso che non ottimizzavano necessariamente le prestazioni complessive del sistema. L’analisi a un più alto livello del sottosistema PSE ha spinto il team di progettazione ADI a ripensarne il paradigma, fornendo delle soluzioni a livello di sistema. Gli LTC9101/LTC9102/LTC9103 e quelli che ne deriveranno in futuro adotteranno questo approccio, combinando olisticamente componenti analogici e digitali per risolvere le sfide relative al PSE, che gli integratori di sistema devono affrontare, incluse quelle elencate in Tabella 1.

Tabella 1. Problemi e soluzioni PSE a livello di sistema

Sfida per l’integratore di sistemaSoluzione ADI
Picchi di tensione e scariche sui caviProtezione robusta dei pin di I/O
Requisiti d’isolamento a livello di sistemaCanali COM con isolamento integrato
Supporto illuminazione LEDRisorse dedicate per porta per detect/class
Complessità 802.3bt e variazioni di standardControllore digitale custom con memoria flash
Strutture di porta misteArchitettura configurabile via software
Diversità dei registri d’interfacciaPiattaforma flessibile (prossimamente)
Efficienza termicaResistenza di percorso più bassa dell’industria
Efficienza di trasferimento elettricoAutoclass 802.3bt conforme

Gli LTC9101/LTC9102/LTC9103 sono parte di un chipset controllore PSE auto-isolato, progettati espressamente dal substrato per i sistemi PoE 2. La Figura 2 illustra uno schema semplificato del circuito e il modo in cui vengono alimentate da 1 a 48 porte Ethernet. La caratteristica più innovativa del chipset è l’isolamento integrato. Da questo deriva la sua architettura, in cui l’LTC9101 fornisce al PSE host un’interfaccia digitale isolata, mentre molteplici LTC9102 e/o LTC9103 provvedono a generare l’alta tensione per l’interfaccia analogica Ethernet. Le specifiche Ethernet 802.3 prevedono che i segmenti di rete, incluso il circuito PoE, siano elettricamente isolati dalla cosiddetta “chassis ground” e dai PHY. Installando l’LTC9101 sul lato non isolato e LTC9102 o LTC9103 su quello isolato, si sostituiscono fino a sei costosi foto-accoppiatori ed un alimentatore isolato con un unico trasformatore Ethernet 10/100, più economico e affidabile. Questa topologia porta non solo una riduzione dei costi, ma anche a un progetto del PSE più robusto e manifatturabile.

Questa soluzione scalabile consente l’implementazione flessibile di grandi sistemi PSE, per qualunque soluzione da 4 a 48 porte, dipendentemente dalla potenza che si deve rendere disponibile per ciascuna porta. Ogni progetto necessita di almeno un controllore digitale LTC9101 e di uno o più controllori analogici LTC9102/LTC9103.

  • L’LTC9102 offre 12 canali alimentati, dove ciascuno di essi trasferisce energia attraverso due delle quattro coppie di fili del cavo Ethernet, per alimentare qualsiasi dispositivo, in configurazioni che vanno da dodici porte da 30 W (usando un canale d’alimentazione per porta) fino a sei porte da 90 W (usando due canali d’alimentazione per porta).
  • Allo stesso modo, l’LTC9103 offre otto canali alimentati, utilizzabili per alimentare da otto porte da 30 W fino a quattro porte da 90 W.
  • Un singolo LTC9101 può gestire fino a quattro LTC9102 e/o LTC9103, che possono essere utilizzati in modalità “mix and match”. Ad esempio, un LTC9101, un LTC9102 e due LTC9103 potrebbero essere impiegati per implementare un PSE a 24porte avente fino a quattro porte da 90 W e 20 porte da 30 W, come illustrato in Figura 3.
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Figura 3. Esempio di implementazione “mix and match” di LTC9102/LTC9103: PSE da 24-porte, con quattro porte da 90 W e venti porte da 30 W.

I manager dell’IT e della logistica apprezzeranno le caratteristiche digitali della sesta generazione dell’LTC9101, incluse l’eFlash interna per la memorizzazione degli aggiornamenti del firmware e dei pacchetti di configurazione utente personalizzati, la compatibilità a ritroso con i driver PSE PoE 2 LTC4291 a 4-porte e un’interfaccia seriale I2C. Le configurazioni del firmware aggiornabile dell’LTC9101 sono memorizzate in una partizione dedicata della memoria flash, nella quale è stata settata una preconfigurazione firmware conforme allo standard IEEE 802.3at/bt. Per la massima protezione dei dati, due copie della configurazione completa del firmware vengono tenute sotto controllo di ECC e CRC mediante gestioni separate. Dopo l’esito positivo del boot del chipset, gli utenti possono configurare e comunicare con il medesimo attraverso l’interfaccia I2C dell’LTC9101, nel quale ciascuna porta può essere configurata in modo indipendente in una delle quattro modalità operative del PSE (automatica, semi-automatica, manuale o shutdown), mentre per gestire l’alimentazione del sistema è possibile rilevare in telemetria le letture di corrente e potenza assorbite su ciascuna porta, nonché quelle della tensione d’alimentazione del PoE.

Mentre l’LTC9101 rappresenta la “mente” del chipset, gli LTC9102/LTC9103 costituiscono le “braccia”, che offrono in più modi efficienza e robustezza ai percorsi d’alimentazione ad alta tensione. Ogni canale d’alimentazione dei LTC9102/LTC9103 è stato implementato con un sistema dedicato al rilevamento e alla classificazione dell’hardware. Ciò consente a tutte le porte di rilevare, classificare e alimentare simultaneamente un dispositivo, il ché riduce drasticamente la latenza di accensione su uno switch. Altri PSE meno evoluti sono soggetti a ritardi visibili ai PD; ad esempio, le lampade LED si accendono in base a una comunicazione seriale porta-a-porta. L’LTC9102/LTC9103 controlla ciascun canale utilizzando un MOSFET esterno, consentendo agli utenti di scegliere componenti a basso valore di RDS(ON), ridurre la potenza dissipata e disaccoppiare i guasti di canale. L’uso di resistori di sensing da 0,1 Ω offre  un ulteriore aiuto a ridurre la dissipazione di potenza.

Durante i guasti per sovracorrente o in caso di cortocircuito su una porta, l’LTC9102/LTC9103 sopprime velocemente l’alimentazione in ~1 µs per proteggere PSE, MOSFET e i circuiti a valle. Inoltre, tutti i pin collegati alla porta possono tollerare transienti di tensione positivi fino a +80 V o negativi fino a –20 V senza alcun danno. Probabilmente la caratteristica più notevole del chipset è la capacità di funzionare anche in presenza di picchi di tensione superiori a ±6,5 kV, con l’aggiunta di una quantità minima di componenti esterni, come verificato secondo le specifiche IEC 61000-4-5 sull’immunità ai transienti (la scheda demo DC3160 presenta questa caratteristica). Al termine degli eventi anomali, l’LTC9102/LTC9103 riporta velocemente “on” il MOSFET in modalità sicura, con limitazione di corrente, riducendo al minimo il disservizio al PD, un fattore critico per massimizzare la disponibilità di rete.

Topologie PoE 2, schemi di rilevamento e classi di alimentazione

Il PoE 2 ha introdotto due diverse configurazioni per il PD:single-signature e dual-signature  ovvero a singola firma e a doppia firma . Un single-signature PD(Figura 4) è un PD PoE 2 che condivide la stessa firma di rilevamento e di classificazione per entrambe le coppie di cavo. Un dual-signature PD è un PD PoE 2 con una firma indipendente, che permette a ciascuna coppia di avere una classificazione e un’allocazione di alimentazione completamente indipendenti. I dual-signature PD rappresentano soluzioni complesse, che costano il doppio di quelle realizzate con single-signature PD. È opportuno far notare che i dual-signature PD 802.3btnon sono equivalenti ai dispositivi UPoE pre-standard, nonostante ne condividano l’architettura. Gli LTC9101/LTC9102/LTC9103 supportano un robusto processo di rilevamento del PD PoE 2 che incorpora la nuova sotto procedura di controllo connessione, per determinare quale configurazione di firma PD sia stata collegata al PSE.

Oltre a eseguire un controllo di connessione, i dispositivi verificano anche che il PD collegato sia di tipo valido e conforme allo standard IEEE. Anche se l’IEEE richiede che i PSE rilevino una firma PD valida (25 kΩ) usando uno schema di rilevamento a 2 punti in tensione, oppure a 2 punti in corrente, gli LTC9101/LTC9102/LTC9103 implementano uno schema più robusto, adottando entrambi i tipi. Questo schema di rilevamento multi-punto (tensioni e correnti multiple) viene utilizzato per eliminare i falsi positivi ed evitare il danneggiamento dei dispositivi di rete che non sono stati progettati per tollerare le tensioni PoE in DC.

Il PoE 2 cede energia a due coppie di conduttori (quattro fili) per fornire alimentazione con potenza fino a 25,5 W e quattro coppie di conduttori (otto fili) per potenze fino a 71,3 W. Non si limita ad abilitare livelli di potenza più alti, ma usando un maggior numero di conduttori aumenta l’efficienza anche ai livelli di potenza inferiori, usati precedentemente, poiché alimentando tutti i conduttori si dimezza la perdita di potenza sul cavo. Prendiamo, ad esempio, un PSE PoE 1 (PoE+) che eroga 30 W per garantire che un PD PoE 1 PD riceva 25,5 W, con una perdita di 4,5 W dovuta a oltre 100 m di cavo tipo CAT5e. Con l’alimentazione a quattro coppie dello stesso PD da 25,5 W PD, il PoE 2 ridurrebbe le perdite a meno di 2,25 W, aumentando l’efficienza della distribuzione di alimentazione dall’85% al 92.5%. Se consideriamo il numero di PD PoE in funzione nel mondo, tutto questo si traduce in un enorme risparmio di energia e, in molti casi d’uso, in una riduzione fino al 7,5% delle emissioni di CO2.

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Figura 4. Topologie single-signature e  dual-signature a confronto.

Il PoE 2 ha introdotto quattro nuove classi di potenza per il PD, portando a nove il numero complessivo delle classi single-signature come illustrato in Tabella 2. Le classi da 5 a 8 sono le nuove aggiunte dal PoE 2 e si traducono in livelli di potenza al PD che vanno da 40 W a 71,3 W. I PSE mantengono ancora la possibilità di utilizzare il livello fisico (cioè la classificazione 5-event per 71,3 W) o data link layer (ovvero il Link Layer Discovery Protocol, LLDP) per classificare i PD i quali, per essere conformi, devono ancora essere in grado di supportare entrambi gli schemi di classificazione. È utile rammentare che, dato che in un dual-signature PDciascuna coppia funziona in modo indipendente, ognuna di esse può appartenere a una classe differente. Ad esempio, il funzionamento in Classe 1 (3,84 W) sulla prima coppia e in Classe 2 (6,49 W) sulla seconda sarebbe ammissibile in un dual-signature PD in Classe 1 e Classe 2 (10,3 W).

Tabella 2. Classi e livelli di potenza dei PD PoE 2

Single-signature PDDual-signature PD
ClassePotenza disponibile al PDClassePotenza Disponibile per Coppia al PD
013 W  
13,84 W13,84 W
26,49 W26,49 W
313 W313 W
425,5 W425,5 W
540 W535,5 W
651 W  
762 W  
871 W  

I PD PoE 2 possono anche implementare un’estensione opzionale della classificazione a livelli fisici, nota come Autoclass, dove un PSE PoE 2 come il chipset LTC9101/LTC9102/LTC9103 misura la potenza massima effettivamente assorbita dal PD collegato. In questo modo, questa pratica caratteristica di gestione dell’alimentazione permette di allocare gli “avanzi” di potenza ad altre lampadine se si riscontra che una lampada in particolare, per una regolazione di luminosità più bassa o per il cavo più corto, assorbe di meno di quanto preveda la propria classe di potenza.

Inutile precisare che il PoE 2 è compatibile a ritroso con gli standard precedenti PoE 1 da 25,5 W e 13 W. Un PD PoE 1 di potenza inferiore può essere collegato a un PSE PoE 2 di potenza più elevata senza alcun problema. Quando le parti si invertono e un PD PoE 2 di potenza più elevata viene collegato a un PSE PoE 1, il PD può funzionare nello stato di potenza chiamato “negotiated lower power state” definito anche come declassamento. Se un PD a elevato assorbimento energetico ignora questo declassamento e continua a funzionare al proprio livello di potenza più elevato, farà sì che il PSE si accenda, raggiunga il proprio limite di sovracorrente e quindi si spenga, in modo ciclico, stressando il PSE. Per questo motivo, il declassamento è necessario sia per i PD PoE 1 che PoE 2, ma sfortunatamente in alcune implementazioni questa caratteristica viene trascurata.

Il PD più efficiente

ADI offre una varietà di circuiti integrati unici, inclusi quelli progettati da Maxim Integrated (ora parte di ADI), per massimizzare le prestazioni dei PD PoE 2. La Figura 3 illustra uno schema blocchi semplificato di un’interfaccia PD PoE 2 a firma-singola ad alta efficienza con ingresso ausiliario. Questa soluzione fornisce un livello di efficienza end-to-end (dall’ingresso RJ-45 al punto di carico del PD) superiore al 94% e funziona in un intervallo di temperatura da –40°C a +125°C.

L’LT4321, illustrato nella Figura 5 all’ingresso d’interfaccia RJ-45, è un controllore attivo a ponte di diodi che sostituisce i raddrizzatori a ponte tradizionali. L’LT4321 utilizza ponti di MOSFET a bassa perdita a canale-N, per aumentare la potenza messa a disposizione dei PD e ridurre allo stesso tempo la dissipazione di calore. Lo standard PoE 2 prevede che ai propri ingressi Ethernet i PD accettino tensioni d’alimentazione in DC con qualsiasi polarità, così l’LT4321 raddrizza e combina le alimentazioni in arrivo da entrambe le coppie in un’unica uscita, con la polarità corretta. Le dimensioni e il costo complessivo del circuito vengono ridotti, dato che l’efficienza energetica migliorata elimina, in pratica, la necessità di usare dissipatori, mentre un risparmio di un fattore 10 o superiore permette ai PD di restare entro i budget energetici della propria classe o di aggiungere funzionalità ulteriori.

Il controllore ideale a ponte di diodi illustrato in Figura 5 è la “mente” dell’interfaccia PD; l’LT4295 è un controller d’interfaccia PD PoE 2 che integra un controllore  di tipo forward, oppure “no-opto” flyback ad alta efficienza. LT4295 supporta PD di tutte le nove classi IEEE con un signature resistor da 25 kΩ, classificazione fino a 5-event e topologia a firma-singola. Oltre a fornire maggiore potenza ai PD, ciò che dà un vantaggio all’LT4295 rispetto ai controllori PD tradizionali è l’utilizzo di un MOSFET di potenza esterno  che, ancora una volta, offre la soluzione per ridurre drasticamente la dissipazione di calore del PD e massimizzarne l’efficienza energetica, un aspetto che ai livelli di potenza più elevati del PoE 2 diventa ancora più importante.

Per i progetti PD PoE 2 che prevedono la possibilità di supportare un’alimentazione ausiliaria, con cui il PD possa essere eventualmente messo in funzione attraverso un alimentatore esterno, l’LT4320 – illustrato nella parte alta della Figura 5 – è un controllore a ponte di diodi attivo da 9 V a 72 V che sostituisce i quattro diodi di un raddrizzatore a ponte a onda-intera con quattro MOSFET a canale-N a bassa perdita, per ridurre in modo significativo la dissipazione di potenza e aumentare la tensione disponibile. Alimentazione e dimensioni possono essere ridotte, dato che il miglioramento dell’efficienza energetica elimina la necessità di dissipatori ingombranti e costosi. Anche le applicazioni a bassa tensione possono sfruttare il margine supplementare consentito dalla riduzione della caduta di tensione che equivale quasi a quella di due diodi (~1,2 V, che a 12 V rappresenta il 10%) inerente ai ponti a diodi tradizionali, aumentando così il margine di applicazione.

Conclusione

Il PoE 2 continua a essere molto rilevante nella crescita globale del mercato Ethernet del giorno d’oggi, anche durante l’attuale momento di prevalenza del lavoro remoto. Piccole, medie e grandi imprese che, per la salvaguardia dei propri dipendenti, stanno aggiornando le proprie strutture con scanner, telecamere e altri sistemi abilitati al PoE, hanno più che mai bisogno di PSE con un elevato numero di porte. I chipset PSE PoE 2 LTC9101/LTC9102/LTC9103 PSE di ADI rispondono a questa domanda di mercato, permettendo ai venditori di switch di alimentare in modo efficiente e affidabile fino a 48 porte Ethernet, fornendo ai manager della logistica e dell’IT le capacità più avanzate per la gestione dell’alimentazione. Nel contempo, all’altro capo del cavo, gli sviluppatori di PD continuano ad avere a disposizione innumerevoli IC di ADI per aumentare l’integrazione, ridurre la dissipazione di calore e aumentare l’efficienza energetica.

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Figura 5. Schema a blocchi semplificato di un’interfaccia PD IEEE 802.3bt ad alta efficienza a firma-singola con ingresso ausiliario.

(Articolo di Christopher Gobok, Product Marketing Director, Analog Devices)

Tornare in ufficio con Power Over Ethernet 2 di ADI - Ultima modifica: 2022-06-06T17:28:05+02:00 da La Redazione
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