Tecnologia Power over Ethernet ed edifici “intelligenti”: 2a parte

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Secondo la NFPA (National Fire Protection Association), negli Stati Uniti la terza principale causa di incendi in edifici commerciali è imputabile alle apparecchiature elettriche e di illuminazione. La tipica causa scatenante è un cablaggio vecchio o difettoso, circuiti sovraccarichi, connessioni allentate, carichi elettrici sbilanciati, fusibili guasti e numerose tipologie di problematiche elettriche o di illuminazione. Situazioni del tipo appena descritto possono produrre un surriscaldamento che dà origine a scintille le quali possono a loro volta scatenare un incendio.

L’alimentazione di rete trasporta la potenza in corrente alternata (AC power) su corte e lunghe distanze attraverso tre fili di rame isolati: fase, neutro e terra (fig. 1). Il primo filo (fase) trasporta la differenza di potenziale (ovvero la tensione) alternata (120 VAC o 230 VAC), mentre il secondo (neutro) completa il circuito e viene mantenuto a un valore prossimo o uguale a quello del potenziale di terra (0 V). Il terzo (terra) è un filo di sicurezza che appunto mette a massa il circuito nel caso si verifichi un guasto. In sintesi, insieme a fusibili e interruttori, nell’alimentazione da rete il 33% del rame totale utilizzato (rappresentato dal filo di terra) è destinato a espletare compiti di sicurezza.

Fig. 1 – Sezione trasversale di un filo di rame con sezione di 2,5 mm2 usato per l’alimentazione da rete (a sinistra) confrontata con quella di un cavo in rame 23 AWG CAT 6 (a destra) a parità di scala (fonte: Ethernet Alliance)

La tecnologia PoE (Power over Ethernet) trasporta la potenza elettrica in corrente continua (DC power) su corte distanze (fino a 100 metri) tra un’apparecchiatura PSE (Power Sourcing Equipment, che quindi eroga potenza) e i dispositivi alimentati (PD – Powered Device) sfruttando i cavi Ethernet. A secondo della versione dello standard PoE, possono essere usati fino a 8 fili di rame per trasportare la potenza in continua, incluso il percorso di ritorno. In breve, la tecnologia PoE non prevede l’utilizzo di fili di rame per la sicurezza. Dal punto di vista filosofico e architetturale, la tecnologia PoE trasferisce il controllo della sicurezza dal rame (ovvero dalla rete) al silicio. Con due innegabili vantaggi: il silicio è molto più economico del rame e il silicio, al contrario del rame, può essere programmato.

Potenza su 2 e su 4 coppie

Ethernet utilizza il connettore RJ che prevede otto contatti, divisi in 4 coppie differenziali, come riportato in figura 2. Nelle reti 10BASE-T (10 Mbps) e 100BASE-TX (100 Mbps) solo due delle quattro coppie differenziali vengono utilizzare per trasferire i dati, quindi due coppie restano inutilizzate. Nelle reti Gigabit Ethernet /1 Gbps), invece, tutte le quattro coppie differenziali vengono impiegate per il trasferimento dei dati.

Sfruttando le infrastrutture Ethernet (10/100/1000) esistenti, lo standard IEEE802.3af (ora noto appunto come PoE), in grado di fornire una corrente di 350 mA/coppia e una tensione di 57 V (max.) e lo standard IEEE802.3at (denominato PoE 1) che fornisce una corrente di 600 mA/coppia e una tensione di 57 V (max.), erogano potenza attraverso le coppie non utilizzate sfruttando due differenti modalità: alternativa A o alternativa B:

• Alternativa A (PSE), o modalità A (PD) trasporta la potenza sulle coppie differenziali 2 e 3
• Alternativa B (PSE), o modalità B (PD) trasporta la potenza sulle coppie differenziali 2 e 4.

Lo standard IEEE802.3bt (o PoE 2), dal canto suo, utilizzata tutte e quattro le coppie differenziali per fornire una corrente di 960 mA/coppia con una tensione di 57 V (Max). Ciò permette al PSE di erogare una potenza di 90 W.

Fig. 2. Potenza erogata attraverso 2 e 4 coppie

La classificazione IEEE 802.3bt (90 W)

Ethernet Alliance suddivide ulteriormente le quattro tipologie in otto classi distinte che sono riportate in figura 3. Osservando questa figura si deduce che, a livello di PSE, per ogni classe (da 5 a 8) prevista da PoE 2 la variazione di potenza è di 15 W, mentre per quanto riguarda il PD questo incremento risulta pari a 11 W. Una suddivisione più fine delle classi rispetto ai tipi permette di ottimizzare l’efficienza di un PSE a più porte, il quale potrà così fornire una gamma di valori di potenza ai PD connessi, un fattore particolarmente importante all’aumentare delle porte del PSE collegate.

Fig. 3 – Classificazione prevista dallo standard IEEE 802.3bt

Le diverse fasi di erogazione della potenza secondo IEEE 802.3af/at/bt

Per il trasferimento della potenza tra PSE e PD, la tecnologia PoE prevede queste cinque distinte fasi (illustrate in figura 4):

• Fase 1: Rilevamento
• Fase 2: Classificazione
• Fase 3: Avvio
• Fase 4: Funzionamento
• Fase 5: Disconnessione

L’apparecchiatura PSE integra un resistore di rilevamento (Rsense) in serie con in percorso della corrente di ritorno utilizzato per misurare qualsiasi assorbimento di corrente effettuato dal PD. Nel PD è anche previsto un resistore di pull-down di firma del valore di 25 kΏ utilizzato per notificare al PSE che si è verificato un rilevamento.

Fig. 4 – Le cinque fasi per il trasferimento della potenza previste dalla tecnologia PoE (Fonte: Ethernet Alliance)

Fase 1. Rilevamento

Quando un PSE e un PD sono collegati mediante un cavo Ethernet, il PD segnala la presenza di un resistore di pull down da 25 kOhm (visibile a destra nella figura 4) al PSE. Quest’ultimo esegue quindi le seguenti due misure di corrente all’interno di una finestra temporale di 500 ms:

1) forza una tensione di 2,8 V e misura la corrente

2) forza una tensione di 10 V e misura la corrente

Una volta calcolato il rapporto delle differenze tra le due tensioni e le due correnti (∆V / ∆I), se il valore ottenuto varia da 19 KΩ a 26,5 ΩK, il PSE può accettare il rilevamento come valido. In caso contrario deve rifiutare il rilevamento. Il vantaggio legato all’esecuzione di una misura differenziale è dato dal fatto che qualsiasi rumore circostante (aggressore) sarà comune alle due misure e di conseguenza verrà soppresso (reiezione di modo comune).

Fase 2. Classificazione

Durante la fase di classificazione, un PD dichiara al PSE la propria firma di classe (class signature) richiesta, ovvero i requisiti di potenza. La fase di classificazione è divisa in cinque eventi di classe (class event) o intervalli temporali (Fig. 5):

1) Firma di classe 0:     da 1 a 4 mA

2) Firma di classe 1:     da 9 a 12 mA

3) Firma di classe 2:    da 17 a 20 mA

4) Firma di classe 3:    da 26 a 30 mA

5) Firma di classe :      da 36 a 44 mA

Fig. 5 – Firme di classe generate dal PD

La figura 5 permette di identificare quale firma di classe (riga) è richiesta durante ciascun evento di classe (colonna) al fine di identificare la classe del PD (da 1 a 8). Per esempio un PD di classe 7 fornirà 40 mA durante un evento di classe 1, 40 mA durante un evento di classe 2 e 18 mA durante gli eventi delle classi che vanno da 3 a 5. Il PSE misurerà l’assorbimento di corrente del PD durante ogni evento temporale in modo da capire la classe del PD.

Il PSE si occupa di forzare le tensioni riportate in figura 6, mentre il PD può assorbire fino a 5 differenti livelli di corrente che vengono denominati firme di classe.

Fig. 6 – Firme di classe e relativi livelli di corrente

Classificazione automatica (Autoclass)

Come riportato in figura 6, l’evento di classe 1 ha una durata superiore rispetto a quella degli altri eventi di classe. Si tratta di una peculiarità di 802,3bt che non è presente nelle versioni 802.3at o 802.3af. Nel caso il PD sia anche conforme a 802.3 bt, il PD può modificare la firma di classe 0 (da 1 a 4 mA) dopo circa 81 ms nell’evento di classe 1, in modo da informare il PSE (conforme a 802.3bt) che il PD in oggetto è anch’esso conforme al medesimo standard e supporta la funzionalità Autoclass.

Una volta attivato, il PD fornisce la sua massima potenza per circa 1,2 s. Il PSE, dal canto suo, misura la potenza del PD, aggiunge un certo margine di tolleranza e il valore così generato rappresenta il nuovo livello di potenza ottimizzato fornito dal PSE.

La funzionalità di classificazione automatica ottimizza l’allocazione di potenza da parte del PSE. Per esempio, se un PD richiede una potenza massima di 65 W durante il funzionamento, si identificherà al PSE come dispositivo in Classe 8 (si faccia riferimento alla figura 3). Senza la funzionalità Autoclass, il PSE allocherà una potenza di 90 W al fine di garantire i 65 W richiesti dal PD. Con la funzionalità Autoclass, invece, il PSE potrebbe ricevere una richiesta di 66,5 W (nel caso di cavi di lunghezza limitata), a cui si deve aggiungere un certo margine (a esempio 1,75 V): in questo caso l’allocazione totale di potenza sarà pari a 68,25 W. In questo caso la riduzione della potenza allocata è di 21,75 il 25% circa). Anche se il dato può a prima vista apparire poco significativo, nel caso di un PSE con otto porte 802.3bt, Autoclass permette di ottimizzare ciascuna porta (con un’ampia varietà di lunghezza di cavi) con un potenziale risparmio energetico dell’ordine delle centinaia di Watt.

Fase 3: Avviamento

Durante questa fase il PSE ha la responsabilità di limitare la corrente di spunto a valori pari a 450 mA (per le Classi da 1 a 4) e a 900 mA (per le restanti Classi da 5 a 8).

Il PD, da parte sua, deve limitare la corrente di carico a 400 mA (per le Classi da 1 a 6) e a 800 mA (per le Classi 7 e 8).

Fasi 4-5: Funzionamento, discommessione e MPS

Il termine MPS (Maintain Power Signature) identifica il minimo valore di corrente che il PD deve assorbire per evitare di essere disconnesso: per questo motivo il PD assorbe impulsi di corrente periodici dal PSE per informare quest’ultimo che non è scollegato. Se il PSE non riceve un MPS dal PD dopo 400 ms, il PSE deve cessare di erogare potenza a quest’ultimo.

Schema a blocchi applicativo di un PD conforme a IEE 802.3bt

Nella figura 7 è riportato un tipico schema applicativo di un PD conforme a 802.3bt. Spostandosi da sinistra verso destra, i trasformatori AC trasferiscono i dati 10/100/1000 Ethernet a un processore vicino. Il raddrizzamento a onda intera è effettuato dal ponte attivo GreenBridge™ 2, caratterizzato da consumi inferiori rispetto a quelli di un tradizionale ponte di diodi in silicio. Il controllore di interfaccia NCP1095 di onsemi^® è connesso attraverso il pin 7 al resistore di pull down di 25 kΩ (per il rilevamento), mentre i pin 2 e 3 determinano i requisiti di potenza del PD in base alla Classe (valore dei resistori), che vengono trasmessi al PSE durante gli eventi di classificazione successivi al collegamento. Collettivamente, i pin 6, 8, 9 e 10 si occupano del monitoraggio della corrente di spunto e della protezione dalle sovracorrenti, con un resistore esterno (Rsense) e un elemento di regolazione (pass gate). Per la comunicazione con un processore di supporto sono disponibili i pin 13, 15 e 16. Il pin PGO (pin 14) informa un convertitore DC/DC quando la potenza in uscita è corretta (power good). Il pin 4 consente a NCP di entrare in funzione sfruttando un’alimentazione ausiliaria locale, mentre il pin 6 è preposto al controllo di Autoclass, la nuova funzionalità prevista da 803.2bt.

Fig. 7 – Schema applicativo di un PD conforme a 802.3bt

Oltre a NCP1095, onsemi propone anche il controllore NCP1096 che integra sia il FET esterno sia il resistore Rsense  

Possibilità di programmare il silicio

Fusibili, interruttori e fili di massa sono dispositivi non particolarmente efficaci per prevenire incendi causati da malfunzionamenti di natura elettrica, soprattutto se confrontati con le caratteristiche dello standard IEEE 802.3bt. Le funzionalità relative alla fornitura di potenza – come classificazione, Autoclass, corrente di spunto e MPS – previste da questo standard sono decisamente migliori. Con la classica alimentazione da rete, a esempio, eventuali roditori nascosti nelle pareti e nel soffitto possono facilmente provocare un incendio di natura elettrica senza alcun preavviso. Adottando la tecnologia PoE, nel caso in cui un PD non fornisca un MPS al PSE ogni 400 ms, Il PSE disconnette automaticamente il PD.

Non è difficile immaginare la possibilità di programmare un PSE in modo che possa registrare disconnessioni non pianificate, attivando un preallarme per la divisione IT, prevenendo in tal modo potenziali eventi catastrofici come l’incendio in un edificio. Le funzionalità di classificazione e Autoclass, invece, permettono di allocare la quantità di potenza esatta che viene richiesta dal carico. Si tratta di una modalità sicura ed efficiente per la distribuzione della potenza. Senza dimenticare che, come ricordato nel corso dell’articolo, il silicio è molto più economico del rame e può, a differenza di quest’ultimo, essere programmato.

Bob Card Americas Marketing Manager - Advanced Solutions Group (onsemi)

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