Soluzione PoE ad alta efficienza per ridurre i costi di gestione

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 5 aprile 2013

Autori
Alison Steer, product marketing manager Mixed Signal Products di Linear Technology
Heath Stewart, senior design engineer Mixed Signal Products di Linear Technology

La tecnologia ‘Power over Ethernet’ (PoE), definita dallo standard IEEE 802.3at, è un metodo per trasmettere dati applicativi e fornire alimentazione in modo sicuro lungo un unico cavo Ethernet CAT-5. La sua crescente diffusione è dovuta alla possibilità di installare apparecchiature praticamente ovunque, senza bisogno di una fonte di alimentazione AC vicina o dell’intervento dell’elettricista. Lo standard PoE IEEE 802.3af originale limitava la potenza erogata al Powered Device (PD) ad appena 13W, un valore che limitava il campo di applicazione di dispositivi quali telefoni IP e telecamere di sicurezza.

Nel 2009 lo standard IEEE 802.3at aumentò la potenza disponibile a 25,5W che era comunque insufficiente a soddisfare il crescente numero di applicazioni PoE che consumano molta energia, tra cui picocelle, punti di accesso wireless, segnaletica a LED e telecamere PTZ (pan-tilt-zoom) per esterno dotate di sistema di riscaldamento. Nel 2011 Linear Technology presentò uno nuovo standard proprietario, denominato LTPoE++, che portava a 90W la potenza erogata con le specifiche PoE e PoE+, pur mantenendo una completa interoperabilità con gli standard PoE IEEE. I quattro livelli di potenza disponibili (38,7W, 52,7W, 70W, 90W) consentono di adeguare l’alimentazione alle esigenze dell’applicazione.

I PSE (Power Sourcing Equipment) LTPoE++ utilizzano una valida architettura di isolamento per ridurre al minimo il numero dei componenti e consentire l’uso di componenti esterni più economici. Una protezione completa contro scariche del cavo e pin max ass. di 80V garantiscono la massima affidabilità sul campo. Grazie all’uso di FET esterni è possibile adeguare la resa termica alle esigenze dell’applicazione, migliorare l’efficienza del sistema e l’affidabilità a lungo termine. L’architettura LTPoE++ richiede un solo controller PSE e PD per fornire fino a 90W di potenza tramite un cavo CAT-5e a 4 coppie lungo 100m.

Requisiti per l’isolamento del sistema
L’implementazione della tecnologia ‘Power over Ethernet’ presuppone un’attenta selezione dell’architettura e dei componenti in modo da ridurre al minimo i costi e ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità. Un buon progetto deve soddisfare i requisiti di isolamento IEEE, proteggere il FET Hot Swap in caso di cortocircuito e di sovracorrente e comunque essere conforme allo standard IEEE. La specifica PoE definisce chiaramente i requisiti di isolamento, evitando ritorni di terra, mantenendo l’integrità dei dati Ethernet e riducendo al minimo il rumore nel circuito applicativo del PD.

Le tradizionali architetture di isolamento del PSE isolano l’interfaccia digitale e l’alimentazione in corrispondenza dell’interfaccia del controller host-PSE. Gli elementi di isolamento digitali come gli optoaccoppiatori sono costosi e inaffidabili. I circuiti integrati in grado di svolgere una funzione di isolamento hanno costi proibitivi oppure non supportano velocità di trasferimento I2C elevate. Inoltre i convertitori DC/DC isolati necessari per alimentare la logica del PSE occupano spazio sulla scheda e comportano un aumento dei costi di sistema.

Isolamento facilitato
I chipset per PSE a 12 porte (LTC4270/LTC4271) e 8 porte (LTC4290/LTC4271) di Linear Technology utilizzano un tipo di isolamento diverso spostando tutte le funzioni digitali sul lato host della barriera di isolamento (Fig. 1) in modo da ottenere una netta riduzione del costo e della complessità dei componenti necessari. Non occorre più l’alimentatore DC/DC isolato a parte; il controller digitale LTC4271 può usare l’alimentazione della logica dell’host. L’LTC4271 controlla l’LTC4290 o l’LTC4270 mediante uno schema di comunicazione isolato dal trasformatore. Una coppia di trasformatori Ethernet economici e onnipresenti sostituisce sei optoaccoppiatori. La comunicazione I2C, inclusi gestione delle porta, reset e chiusura rapida delle porte, viene codificata in un protocollo ideato per ridurre al minimo l’energia irradiata e fornire 1500V di isolamento.

Fig. 1 – Il chipset LTC4290/LTC4271 raggiunge l’isolamento senza optoaccoppiatori e rende superfluo il convertitore DC/DC isolato dedicato

Valida protezione contro scariche del cavo
È importante tener conto della solidità del progetto PoE, soprattutto quando si parla di un numero elevato di cavi e di tensioni, correnti o temperature elevate. Linear Technology, che ha molta esperienza in questo settore, ha progettato un ottimo schema di protezione dei circuiti scalabile, che soddisfa i requisiti dello standard IEC61000 relativi alla tensione di scarica del cavo. Per proteggere l’alimentazione analogica ad alta tensione occorre un solo TVS, mentre su ogni porta di uscita si usa una coppia di diodi limitatori economici (Fig. 2). I diodi sulle porte controllano picchi di tensione dannosi nei rail di alimentazione dove vengono assorbiti dall’apposito soppressore e dalla capacità di bypass VEE. Il soppressore di tensione protegge anche il controller PSE da transitori sull’alimentazione VEE. I controller PSE di Linear hanno inoltre una tensione massima assoluta di 80V su tutti i pin analogici per fornire una protezione locale contro i transienti.

Fig. 2 – Valida protezione contro le scariche del cavo

Riduzione della dissipazione di potenza
La quarta generazione di controller PSE e PD di Linear Technology supporta un funzionamento conforme allo standard IEEE 802.3at oltre a livelli di potenza LTPoE++ fino a 90W, con massima riduzione della dissipazione di calore grazie a MOSFET esterni a bassa RDS(ON) e resistori di rilevamento da 0,25Ω. Queste caratteristiche sono importanti nei sistemi ad alta potenza, in cui la progettazione termica e la perdita di potenza possono comportare costi elevatissimi, oltre che nelle applicazioni a potenza limitata che devono massimizzare l’energia fornita in modo da operare senza superare i costi energetici preventivati.

I controller PSE e PD con MOSFET integrati hanno caratteristiche di RDS(ON) maggiori, il che rende la progettazione termica più difficile perchè il calore viene dissipato all’interno del dispositivo. Una sola porta danneggiata può rovinare l’intero chip.
L’LT4275 (Fig. 3) è l’unico controller PD in grado di controllare un MOSFET esterno per ottenere una netta riduzione della dissipazione del calore nel PD e massimizzare l’efficienza energetica, aspetto particolarmente importante in presenza di livelli di potenza molto elevati. Questo nuovo approccio consente ai progettisti di adeguare il MOSFET alle esigenze dell’applicazione in termini di calore ed efficienza, consentendo l’uso di MOSFET con una RDS(ON) di soli 30 mΩ. L’LT4275 è in grado di supportare fino a 90W di potenza.

Fig. 3 – Il controller PD LTPoE++ usa un MOSFET esterno per migliorare l’efficienza energetica

Un solo TVS e un pin max ass. di 100V garantiscono una protezione più che adeg
uata contro eventi di scarica dal cavo. L’LT4275 opera in un range di temperature comprese tra -40 °C e 125 °C ed è dotato di protezione contro le temperature eccessive che si attiva in caso di sovraccarico momentaneo. Le applicazioni più difficili non possono che trarre vantaggio da un tale livello di protezione.

Come funziona la tecnologia LTPoE
La tecnologia LTPoE++ utilizza uno schema di classificazione a 3 eventi per fornire un handshaking di identificazione reciproca tra il PSE e il PD, ma mantenendo la compatibilità retroattiva con lo standard IEEE 802.3at. Il PSE LTPoE++ determina se il PD è di tipo 1 (PoE), di tipo 2 (PoE+) o un dispositivo LTPoE++ mediante la risposta del PD allo schema di classificazione a 3 eventi. Il PSE LTPoE++ usa il risultato di questo schema per aggiornare le soglie ICUT e ILIM. Il PSE usa la soglia ICUT per tenere sotto controllo il consumo di corrente del PD. ILIM funge da limite di corrente rigido per proteggere l’alimentatore del PSE in caso di gravi problemi di corrente.

D’altro canto il PD LTPoE++ usa il numero di eventi di classificazione ricevuti per stabilire se è collegato a un PSE di tipo 1, di tipo 2 o LTPoE++. Se il PSE LTPoE++ misura la corrente del primo evento del PD come Classe 0, Classe 1, Classe 2 o Classe 3, il PSE LTPoE++ si attiva sulla porta come dispositivo di tipo 1. Se invece viene identificata la Classe 4, il PSE LTPoE++ prosegue con un secondo evento di classificazione, come indicato nella specifica PoE+; il PD viene informato di essere collegato a un PSE di tipo 2 o LTPoE++. L’assenza di un secondo evento di classificazione indica che il PD è collegato a un PSE di tipo 1 che si limita a un’alimentazione di tipo 1.

Lo standard IEEE definisce la classificazione del layer fisico del PD di tipo 2 come due risultati consecutivi di Classe 4. Un PD LTPoE++ deve quindi indicare due risultati consecutivi di Classe 4 nel primo e nel secondo evento di classificazione, facendo in modo che il PD LTPoE++ appaia come un PD di tipo 2 associato a un PSE di tipo 2.
Il PSE LTPoE++ passa al terzo evento di classificazione dopo una serie di misurazioni valide di Classe 4 nel primo e nel secondo evento di classificazione. Dopo due misurazioni di Classe 4 positive, si procede con un terzo evento di classificazione che deve passare a un classe diversa dalla 4 per poter riconoscere il PD come dispositivo LTPoE++.

Il PD che mantiene la Classe 4 durante il terzo evento di classificazione è considerato di tipo 2 dal PSE LTPoE++. Lo standard IEEE 802.3at prevede che i PD di tipo 2 conformi ripetano risposte di Classe 4 per tutti gli eventi di classificazione. Il terzo evento di classificazione informa il PD LTPoE++ che è connesso a un PSE LTPoE++. Nella tabella 1 sono indicate le permutazioni degli eventi di classificazione relative ai vari livelli di alimentazione del PD.

Tabella 1 – Classificazione LTPoE++

Soluzione LTPoE++ ‘plug and play’
La tecnologia LTPoE++ offre una soluzione ‘plug and play’ valida e sicura, in grado di ridurre nettamente la complessità di progettazione dei PSE (Power Sourcing Equipment) e dei PD (Powered Device). Il vantaggio offerto dall’LTPoE++ rispetto ad altre topologie è che occorre un solo PSE e un solo PD per fornire fino a 90W di potenza su un unico cavo CAT-5e, con conseguente riduzione dello spazio occupato, dei costi e del tempo di sviluppo. La soluzione LTPoE++ consente di ridurre notevolmente i costi di gestione, diminuendo la distinta dei materiali e il costo dei relativi componenti, ma anche offrendo la soluzione end-to-end più efficiente dal punto di vista energetico, ottimizzando l’energia erogata all’applicazione e riducendo al minimo la dissipazione del calore e la progettazione di costosi dissipatori.

Un’altra caratteristica della tecnologia LTPoE++ è che non ha bisogno di utilizzare il Link Layer Discovery Protocol per negoziare l’alimentazione a livello di software (LLDP), previsto dalla specifica IEEE PoE+. Questo protocollo richiede estensioni agli stack Ethernet e può comportare un notevole lavoro di sviluppo software. I PSE e i PD LTPoE++ negoziano in modo autonomo i livelli di potenza e le capacità a livello di hardware, pur restando compatibili con le soluzioni basate su LLDP. L’LTPoE++ offre ai progettisti di sistemi la possibilità di implementare o meno l’LLDP. I sistemi end-to-end proprietari possono scegliere di fare a meno del supporto di LLDP, con conseguenti vantaggi in termini di time-to-market, ulteriore riduzione dei costi dei componenti, delle dimensioni e delle complessità della scheda.

Funzioni avanzate di quarta generazione
La famiglia di controller PSE Power over Ethernet racchiude tutta l’esperienza di Linear in materia di PoE, sostenuta da oltre 200 milioni di porte spedite. Tra le nuove funzionalità di quarta generazione figura un firmware aggiornabile sul campo per progetti sempre attuali. Un’altra novità è la media della corrente di 1 secondo che semplifica la gestione dell’alimentazione dell’host. La gestione dell’alimentazione avanzata prevede arresto veloce con priorità, una tensione per porta di 12 bit e lettura della corrente, limiti di corrente programmabili a 8 bit e soglie della corrente di sovraccarico programmabili a 7 bit. Un’interfaccia I2C da 1 MHz consente all’host controller di configurare in modo digitale il circuito integrato o le letture di interrogazione della porta. Sono disponibili librerie “C” per ridurre i costi di progettazione e migliorare il time-to-market.

Linear Technology offre controller PSE a 1, 4, 8 e 12 porte, caratterizzati da una bassissima dissipazione di potenza, protezione contro eventi ESD e CDE, numero ridotto di componenti e progetti economici. Se abbinato al controller PD LT4275, un sistema LTPoE++ ‘plug and play’ completo può fornire fino a 90W di potenza, mantenendo la piena compatibilità con gli standard PoE+ e PoE. L’intera soluzione utilizza MOSFET esterni a bassa RDS(ON) per ridurre nettamente la dissipazione di calore del PD e massimizzare l’efficienza energetica, aspetto importante a tutti i livelli di alimentazione. Grazie a valori max ass. elevati su tutti i pin analogici e a una protezione contro le scariche dal cavo i dispositivi sono perfettamente protetti dai più comuni picchi di corrente sulla linea Ethernet. I sistemi LTPoE++ semplificano la fornitura di energia, consentendo ai progettisti di concentrare il lavoro sulle rispettive applicazioni.



Contenuti correlati

Scopri le novità scelte per te x