Power over Ethernet (PoE) - Il nuovo standard IEEE 802.3bt rafforza la tecnologia per le applicazioni IoT

Sono stati scritti molti articoli e blog sulla tecnologia Power over Ethernet (PoE) e su come sia stata concepita. Un esempio è l'articolo di Digi-Key "Introduzione a Power over Ethernet"

che analizza ed enfatizza le nuove caratteristiche introdotte dal recente standard IEEE 802.3bt nell'odierno mondo IoT (Internet delle cose) dove tutto ("le cose") è connesso, controllato e monitorato via Internet.

Miglioramenti di IEEE 802.3bt

Il primo e più importante miglioramento dello standard 802.3bt è la capacità di trasferire molta più potenza ai dispositivi periferici (dispositivi alimentati o PD), pari a 71,3 W mentre invia 90 W dal lato delle apparecchiature di alimentazione (PSE).

In secondo luogo, supporta una velocità di trasferimento fino a 10 Gbps per i dispositivi di rete su cavo Cat5e.

Questi due miglioramenti nella distribuzione dell'energia elettrica e nella velocità del segnale consentono di alimentare con la tecnologia PoE numerosi nuovi apparecchi IoT, in particolare i dispositivi energivori e ad alta velocità per IoT industriale (IIoT). Di seguito sono riportati alcuni esempi di queste nuove applicazioni:

• Audio professionale
• Segnaletica digitale
• Unità radio a piccole celle 5G (infrastruttura mobile: tecnologie 3G, 4G, 5G)
• Punti di accesso wireless (WAP) 802.11ac
• Reti locali wireless ad alta velocità (WLAN)
• Controllo degli accessi industriale
• Illuminazione
• Domotica
• Automazione di edifici/fabbriche
• Terminali per punti vendita (POS)
• Chioschi informativi
• Telecamere IP per esterni con riscaldatori
• Monitor/laptop
• Illuminazione digitale a soffitto

Nuove caratteristiche di IEEE 802.3bt

Il nuovo standard PoE IEEE 802.3bt definisce diverse nuove caratteristiche e miglioramenti rispetto al precedente 802.3at, che si traducono in un risparmio energetico e in una maggiore efficienza per l'utilizzo della tecnologia PoE da parte di un numero maggiore di dispositivi periferici.

In linea di principio, una piattaforma IoT è costituita da quattro elementi:

• Rilevamento/monitoraggio
• Elaborazione (MCU)
• Connettività (wireless o cablata)
• Gestione della potenza

Le nuove caratteristiche e i miglioramenti dello standard IEEE 802.3bt sono utili per la gestione della potenza di IoT, come detto prima. Quattro di queste nuove caratteristiche/miglioramenti includono una breve Maintain Power Signature (MPS), autoclasse, firma singola o doppia del PD e l'estensione della potenza al PD, discusse nei paragrafi seguenti.

Breve Maintain Power Signature (MPS) - MPS è il consumo energetico minimo assorbito da un PD per mantenere attivo il PD stesso e non sarà scollegato dal PSE. Il PSE serve per rimuovere l'alimentazione quando l'MPS è assente per almeno 400 ms, assicurando che i cavi scollegati non rimangano alimentati.

Inoltre, quasi tutti i PD nelle applicazioni IoT hanno una modalità a bassa potenza o di sospensione. Tali PD devono assorbire una corrente più elevata per rimanere alimentati, che cozza con il concetto della modalità standby a bassa potenza. Il breve MPS affronta questo problema riducendo il ciclo di lavoro e il tempo necessario a generare la firma per mantenere una connessione di alimentazione. Questa modifica migliora la potenza di standby minima di un fattore di 10, consentendo ai dispositivi periferici IoT di essere alimentati con PoE e di avere una potenza di standby accettabile.

Nelle applicazioni IoT con un gran numero di dispositivi che utilizzano PoE, come l'illuminazione a LED, la riduzione della potenza di standby è fondamentale.

Autoclasse - L'autoclasse permette di ottimizzare l'assegnazione della potenza disponibile del PSE ai PD. In sostanza, il PSE "misura" le perdite del cavo Ethernet e il consumo energetico del PD collegato entro un periodo definito e "sa" di fornire una potenza "effettiva" a questo PD piuttosto che una maggiore potenza "assegnata" definita dalla classe PD. Ciò permette allo stesso PSE di alimentare più PD e quindi più dispositivi periferici IoT.

Firma singola/doppia del PD - Lo standard IEEE 802.3bt supporta due costruzioni PD: PD a firma singola e PD a doppia firma. Il PSE deve supportare sia i PD a firma singola che quelli a doppia firma.

I dispositivi a doppia firma sono per applicazioni che richiedono fino allo stesso livello di potenza massima dei dispositivi a firma singola e forniscono la flessibilità ulteriore di configurazioni di carico diverse e isolate. Un esempio può essere una telecamera di sorveglianza esterna che deve essere alimentata insieme a un riscaldatore o a una ventola di raffreddamento per controllare condizioni di temperatura estreme. Un altro esempio potrebbe essere quello delle applicazioni IIoT con circuiti ridondanti utilizzati a scopo di affidabilità e sicurezza che vengono alimentate ad alternanza, non contemporaneamente.

La Figura 1 mostra i concetti di firma doppia/singola.

Figura 1: Concetti di firma singola o doppia (Immagine per gentile concessione di Microchip)

Ulteriori informazioni tecniche sui PD a doppia firma IEEE 802.3bt sono reperibili sul sito Ethernet Alliance (EA).

Alimentazione estesa al PD - Lo standard IEEE 802.3bt definisce a 90 W la potenza massima che può inviare un dispositivo PSE e a 71,3 W quella che può ricevere un dispositivo PD. Questo calo di potenza da PSE a PD tiene conto della perdita massima di 19 W sull'intera lunghezza del cavo per un massimo di 100 metri, secondo quanto definito dallo standard Ethernet. Con il nuovo standard IEEE 802.3bt, il PD può misurare la resistenza del cavo, calcolare la potenza che andrà persa nel cavo e fornire una potenza abbastanza alta da compensare la potenza massima "sprecata" di 19 W dissipata dal cavo su 100 metri. Se la distanza tra PD e PSE è inferiore a 100 metri, è possibile fornire al PD più di 71,3 W. Ad esempio, se la lunghezza del cavo è compresa tra 2 e 5 metri, la potenza che il PD può ricevere dal PSE può essere vicina ai 90 W che il PSE invia.

Miglioramenti dell'efficienza energetica IEEE 802.3bt

Anche se non definito esplicitamente dallo standard 802.3bt, ma vicino alla sua ratifica e nello spirito dell'efficienza della gestione energetica e dei requisiti delle applicazioni IoT, diversi fornitori leader di CI PoE hanno migliorato la progettazione dei loro chip nell'ottica dell'efficienza energetica.

Figura 2: Topologia a blocchi PoE (Immagine per gentile concessione di Microchip)

Prima di guardare la Figura 2, è meglio definire la funzionalità sia del PSE che del PD.

Per il PSE, i requisiti di funzionalità possono essere brevemente riassunti così:

• Rilevare un PD valido
• Classificare le capacità di potenza del PD
• Fornire da 4 W a 90 W di potenza a 44-57 V al PD
• Eseguire l'ottimizzazione e l'allocazione della potenza
• Eseguire il monitoraggio dei guasti e lo scollegamento quando necessario
• Spegnere l'alimentazione alla porta appropriata se viene rilevata una condizione di sottocorrente
• Fornire protezione dalle sovratensioni
• Fornire isolamento dai circuiti di commutazione

Le funzionalità di un PD si riassumono invece così:

• Fornire protezione dall'inversione di polarità
• Fornire le firme per il rilevamento e la corretta classificazione
• Eseguire l'ottimizzazione della potenza
• Fornire isolamento
• Prevedere una polarizzazione opzionale per l'avvio c.c./c.c.
• Convertire 57 V alla tensione di alimentazione regolata necessaria utilizzata dall'applicazione

Come si evince dalla Figura 2, l'alimentazione dal PSE viene inviata al PD attraverso il cavo Ethernet. Il chip del ponte di diodi dei PD raddrizza quindi la tensione del cavo. Nei sistemi PoE a 2 coppie, la tensione può essere fornita sia sulle coppie di dati che sulle coppie di ricambio, ma non su entrambe. Nei sistemi PoE a 4 coppie definiti da IEEE 802.3bt, tutte le coppie sono alimentate.

Pertanto, sono necessari due ponti all'interno del PD (Figura 3).

Figura 3: Due ponti all'interno del PD (Immagine per gentile concessione di Analog Devices/Linear Tech)

La soluzione con un ponte di diodi convenzionale ha diversi svantaggi:

• Elevata perdita di potenza causata dalla caduta di tensione del cavo
• Alta dissipazione del calore
• Ulteriori considerazioni di progettazione termica

A causa degli svantaggi appena citati, l'uso di ponti di diodi convenzionali in molte applicazioni IoT è molto problematico, se non impossibile.

Una soluzione più efficiente rispetto al ponte di diodi è il cosiddetto IdealBridge^™, introdotto da Microsemi (ora Microchip). Questa soluzione è un ponte basato su MOSFET a canale N con un controller.

Le differenze tra un doppio ponte di diodi convenzionale e un singolo IdealBridge sono illustrate nella Figura 4.

Figura 4: Doppio ponte di diodi convenzionale a confronto con un singolo IdealBridge™ (Immagine per gentile concessione di Microchip)

I vantaggi di un IdealBridge includono:

• La soluzione completamente integrata riduce i componenti in distinta base - Risparmia spazio sulla PCB e semplifica l'implementazione
• Circuito ad autocomando per MOSFET
• Bassa RDSon, basso consumo energetico
• Massimizzazione dell'efficienza energetica - fornisce una maggiore potenza di uscita e tensione
• Riduce drasticamente la dissipazione del calore, eliminando i problemi di progettazione termica e la necessità di un dissipatore di calore
• Funziona con applicazioni PoE a 2 e 4 coppie
• Compatibile con gli standard IEEE 802.3xx

Microsemi/Microchip ha introdotto la prima soluzione "IdealBridge™" con PD70224. Soluzioni simili di altri fornitori sono LT4321 di Analog Devices/Linear Tech, il diodo ideale (non un ponte) a 1 canale FDMQ8205A di ON Semiconductor e la soluzione integrata (IdealBridge in un chip CI PD) PM8805 di STMicroelectronics.

Conclusione

Il recente standard IEEE 802.3bt aggiunge nuove funzionalità alla tecnologia PoE e migliora quelle esistenti. Queste caratteristiche ampliano la gamma dei dispositivi periferici che possono essere connessi utilizzando il concetto PoE, supportando così molte nuove applicazioni IoT.

Per supportare le infrastrutture non PoE, esistono varie soluzioni intermedie come midspan/iniettori e ripartitori di potenza. Tuttavia, è importante notare che IEEE 802.3bt è uno standard piuttosto nuovo e molti fornitori hanno offerto prodotti conformi ancor prima che fosse ratificato alla fine del 2018. Al fine di sfruttare i vantaggi delle nuove caratteristiche IEEE 802.3bt e mantenere l'interoperabilità tra i fornitori, componenti e prodotti devono essere qualificati per questo standard IEEE 802.3bt, fatto che dovrebbe essere indicato esplicitamente nelle schede tecniche.