I moduli di connessione compatti e integrati riducono il rumore e forniscono alimentazione via Ethernet per le applicazioni IA

Con la crescita esplosiva dei dispositivi connessi in rete, i progettisti di rete riconsiderano continuamente i tipi e il volume di dati raccolti dai nodi edge, la destinazione di questi dati e qual è il modo migliore per farceli arrivare. Sempre più spesso, anche l'alimentazione di questi nodi periferici ricade tra i compiti dei progettisti di rete.

Power over Ethernet (PoE) è una tecnologia che si occupa sia della trasmissione dei dati che dell'alimentazione. Questo articolo esamina la tecnologia PoE, ne esplora il futuro nelle applicazioni di intelligenza artificiale (IA) e di apprendimento automatico (ML) e analizza gli aspetti che i progettisti di rete devono prendere in considerazione nella scelta dei componenti PoE.

Come la segnalazione differenziale abilita il PoE

La tecnologia Ethernet facilita una rete di connettività affidabile e sensibile al fattore tempo con una riduzione intrinseca del rumore. I moderni cavi Ethernet, con classificazione CAT 5 e CAT 6, contengono otto fili che formano quattro doppini intrecciati. I dati vengono inviati su ciascun doppino sotto forma di segnali di tensione differenziale. Quando un filo di un doppino viene tirato verso l'alto a una tensione positiva, l'altro filo viene tirato verso il basso a una tensione negativa identica. Il segno della tensione differenziale risultante codifica i dati che si stanno inviando.

I segnali differenziali sono intrinsecamente immuni a certi tipi di interferenze elettromagnetiche (EMI), come il rumore di modo comune. Questo perché tale interferenza aumenterebbe o ridurrebbe la tensione trasmessa su entrambi i fili del doppino intrecciato della stessa quantità, dando luogo alla stessa tensione differenziale finale. Questa immunità al rumore è ciò che ha portato inizialmente all'ampia adozione della tecnologia Ethernet ed è ciò che rende possibile il PoE.

Nelle installazioni PoE, vengono applicate polarizzazioni c.c. differenti a doppini intrecciati differenti all'interno di un cavo, senza influenzare i singoli segnali di tensione differenziale. Un circuito di filtraggio separa i segnali di dati c.a. da inviare a un controller, mentre un circuito di alimentazione preleva l'energia dalla polarizzazione c.c..

I cavi Ethernet, le prese RJ45 e i protocolli di rete sono definiti da IEEE 802.3. Questo standard delinea inoltre tre diversi livelli di potenza per le applicazioni PoE, lasciando spazio a livelli di potenza più elevati in futuro (Tabella 1).

Tabella 1: Le installazioni PoE sono conformi a parti differenti dello standard IEEE 802.3 a seconda dell'alimentazione che forniscono e della connettività Ethernet. ((Immagine per gentile concessione di Bel)

Le configurazioni PoE a bassa potenza secondo IEEE 802.3af forniscono fino a 15,4 W per dispositivi quali sensori, dispositivi di Internet delle cose (IoT) e semplici computer monoscheda. IEEE 802.3at definisce di media potenza le configurazioni PoE+ che forniscono fino a 30,0 W a router di rete, monitor e dispositivi IoT con capacità di elaborazione su scheda o all'edge. Il massimo livello di potenza è fornito dalle configurazioni PoE++ definite dalla norma IEEE 803.2bt. Queste installazioni forniscono fino a 90,0 W a thin client, sistemi di automazione industriale, illuminazione a LED e telecamere di sicurezza.

Il potenziale del PoE

Indipendentemente dal livello di potenza, il PoE semplifica le installazioni e le rende a prova di errore, eliminando la necessità di cavi di alimentazione, spine e convertitori c.a./c.c. separati. L'utilizzo di un unico cavo elimina inoltre molti dei possibili punti di guasto, semplificando la diagnostica e l'ottimizzazione energetica.

Lo sviluppo degli standard PoE ha aperto la strada alle applicazioni IA e ML. Prendiamo ad esempio una rete di sensori a bassa potenza connessi tramite PoE di Tipo 1. Senza dover installare chilometri di cavi di alimentazione o avere alimentatori distribuiti su una vasta area aperta, i progettisti di rete possono creare una rete a maglie di dati che alimenta direttamente un processore IA, fornendo conoscenze in tempo reale su un ambiente.

Utilizzando installazioni PoE di Tipo 2, l'elaborazione IA può essere distribuita ai nodi periferici. L'intelligenza artificiale e le routine di calcolo complesso possono essere eseguite localmente dove vengono raccolti i dati. In questo modo si crea una rete più agile in grado di reagire in tempo reale all'ambiente circostante, preservando al contempo la potenza di calcolo di base per altre attività.

Le installazioni PoE di Tipo 3 e 4 supportano i sistemi di calcolo più intensivi che forniscono un'elaborazione Edge IA ancora più robusta. La maggiore potenza disponibile con il PoE di Tipo 4 supporta la visione artificiale e altri processi di ML che possono rivoluzionare le capacità dell'automazione industriale.

Con l'aumento della potenza fornita da una rete PoE e del volume di dati trasmessi, crescono anche le preoccupazioni per le interferenze EMI e a radiofrequenza (RFI). L'espansione della portata di una rete Ethernet è di scarsa utilità se non viene preservata l'integrità dei dati. Pertanto, oltre a scegliere il tipo di PoE appropriato per la loro applicazione, i progettisti devono anche selezionare componenti magnetici e filtri in grado di mantenere l'integrità del segnale schermando vari tipi di rumore elettronico.

Gli ICM combinano connettività e filtri

I moduli di connessione integrati (ICM), come quelli della serie MagJack (Figura 1) di Bel, alloggiano i componenti magnetici all'interno dello stesso ingombro della scheda a circuiti stampati (PCB) della presa Ethernet RJ45 per massimizzare l'efficienza del layout.

Figura 1: Gli ICM MagJack supportano l'implementazione del PoE combinando connettori RJ45 con robusti componenti magnetici di filtraggio e schermatura EMI/RFI in contenitori compatti. (Immagine per gentile concessione di Bel)

Gli ICM della linea MagJack supportano una varietà di velocità Ethernet che vanno da 10BASE-T (10 Mbps) a 10GBASE-T (10 Gbps) e trasmettono fino a 120 W di potenza. Le configurazioni, da una porta singola a due file impilate di otto porte fino a una combinazione di porte RJ45 e USB-A 2.0, offrono flessibilità per una varietà di applicazioni.

I progettisti hanno anche la possibilità di scegliere come montare i MagJack su una PCB. La linea MagJack prevede configurazioni a foro passante, a montaggio superficiale (SMT), pin-in-paste e con inserimento a pressione. Nella scelta della tecnologia di montaggio migliore per la loro applicazione, i progettisti possono prendere in considerazione fattori quali la gestione termica, la manutenibilità, lo spessore della scheda, le sollecitazioni di inserimento e la producibilità.

Ad esempio, le tecnologie di montaggio SMT, pin-in-paste e a foro passante sono ottime scelte per la produzione di massa quando è già presente una linea di produzione di saldatura. I pin saldati negli ICM MagJack a foro passante creano una robusta connessione meccanica che, insieme al design semplice ed economico del fissaggio, è ciò che rende da tempo la terminazione a saldare a foro passante la scelta tradizionale per garantire l'affidabilità in ambienti industriali o esterni difficili.

D'altra parte, le unità MagJack con design con inserimento a pressione e pin in bronzo fosforoso, rappresentano una scelta migliore nelle applicazioni in cui i progettisti vogliono evitare di esporre la PCB o i suoi componenti a un calore eccessivo durante la produzione. I 98 pin di queste unità si inseriscono in fori della PCB rivestiti di metallo conduttivo. Le connessioni a pin multipli creano inoltre un collegamento stabile per l'inserimento e la rimozione ripetuta dei connettori RJ45 senza il rischio di affaticamento che presentano i giunti a saldare. Questo design è anche più facile da manutenere sul campo, perché non richiede la rilavorazione delle saldature.

Senza bisogno di terminali a saldare, gli ICM con inserimento a pressione possono essere fissati a una PCB di spessore pari o superiore a 2,05 mm, compresi i backplane impilati. Ciò offre ai progettisti una maggiore flessibilità nell'uso efficiente dello spazio sulla PCB, anche in applicazioni quali le telecamere con capacità di elaborazione all'edge che richiedono un'elevata densità di porte di rete e PoE ad alta potenza.

Conclusione

Che utilizzino pin per inserimento a pressione conformi o pin a saldare a foro passante, gli ICM come quelli della serie MagJack rendono possibili le reti Ethernet industriali. I componenti magnetici integrati preservano l'integrità del segnale in un contenitore compatto, anche nelle applicazioni PoE che trasportano fino a 120 W di potenza insieme ai dati Ethernet.

La combinazione di design robusto e compatto, filtraggio del segnale e trasmissione di potenza rende gli ICM MagJack parte integrante delle reti Ethernet industriali, consentendo ai progettisti di far progredire le applicazioni IA e ML senza aggiungere cablaggi o passaggi di produzione.