La tecnologia Single-pair Power over Ethernet apre nuovi orizzonti applicativi

Power over Ethernet (PoE) da anni fornisce energia attraverso i cavi Ethernet, ma il suo fascino è limitato da una distanza massima di soli 100 metri. Ora la tecnologia SPoE (Single-pair Power over Ethernet), una tecnologia standardizzata dall'IEEE che consente di trasmettere energia e dati su lunghe distanze utilizzando un unico doppino intrecciato all'interno di un cavo Ethernet, apre una nuova frontiera per applicazioni innovative.

Ben consolidata e ampiamente utilizzata per la comunicazione di dati tra dispositivi, Ethernet utilizza quattro coppie di fili di rame intrecciati per trasportare i segnali di dati, dove ogni coppia trasporta il flusso di dati in una sola direzione. I dispositivi che utilizzano la rete Ethernet richiedono in genere anche un'alimentazione separata, con conseguente aumento dei costi di cablaggio e installazione.

Power over Ethernet (PoE) è stato sviluppato come estensione dello standard Ethernet, in modo che i dispositivi potessero ricevere sia dati sia alimentazione sullo stesso cavo, utilizzando due coppie di fili per trasportare i dati e le altre due per alimentare i dispositivi.

PoE può erogare fino a 90 W di potenza su una distanza massima di 100 metri. Questo ha generato applicazioni PoE come telecamere IP, punti di accesso wireless, telefoni VoIP e sistemi di illuminazione intelligenti che possono essere distribuiti e alimentati tramite un unico cavo. Tuttavia, oltre al limite della distanza, altre sfide del PoE includono la necessità di connettori e cavi ingombranti e costosi in grado di gestire correnti e tensioni elevate, perdite di potenza e dissipazione del calore.

Introduzione a SPoE

Utilizzando una sola coppia di fili per trasportare sia i dati sia l'alimentazione, SPoE può raggiungere velocità di trasmissione dati fino a 1 Gbps e fornire fino a 52 W di potenza su cavi lunghi fino a 1 km (Figura 1), utilizzando connettori e cavi più piccoli ed economici, compatibili con le prese RJ45 esistenti.

Figura 1: Un sistema SPoE può trasmettere fino a 52 W di potenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Grazie ai costi ridotti e all'implementazione più semplice, SPoE è adatto a un'ampia gamma di applicazioni in ambienti industriali, automotive, di automazione degli edifici e IoT, dove l'installazione di nuovi cablaggi o l'affidamento alle sole LAN wireless sono opzioni poco pratiche e/o proibitive dal punto di vista dei costi. Fornisce telemetria completa del sistema per il monitoraggio dello stato di trasmissione dell'energia, il rilevamento dei guasti e la protezione dalle sovratensioni.

In ambito industriale, SPoE può alimentare sensori e dispositivi di controllo su lunghe distanze senza dover aggiungere fonti di alimentazione locali, semplificando l'infrastruttura di rete, riducendo i costi di installazione e fornendo una gestione centralizzata dell'alimentazione. Può essere utilizzato per alimentare il cablaggio Ethernet esistente, rendendo l'aggiunta di switch ed endpoint SPoE un processo rapido e relativamente semplice.

SPoE fa parte dello standard IEEE 802.3 - IEEE 802.3 cg per 10 Mbps Ethernet su un singolo doppino intrecciato (10Base-T1L) - e fornisce un'estensione dello standard IEEE 802.3bu, Power over Data Line (PoDL). PoDL è utilizzato in sistemi fino a 40 m e con 12, 24 o 48 V; SPoE funziona con una tensione di 24 V o 55 V fino a 1000 m.

SPoE è ideale per le applicazioni che richiedono una potenza medio-bassa e un'elevata velocità di trasmissione dei dati su lunghe distanze, cosa che non è possibile o economica per PoE.

Le potenziali applicazioni di SPoE includono:

• Sistemi tecnologici operativi in cui l'affidabilità delle comunicazioni e dell'alimentazione è fondamentale per il controllo e l'automazione dei processi
• Sistemi di automazione di edifici e fabbriche in grado di monitorare e controllare i parametri ambientali e dei macchinari
• Strumenti di campo, come sensori e attuatori, che possono essere utilizzati con maggiore flessibilità e a costi inferiori
• Sistemi di sicurezza, come il controllo degli accessi e la sorveglianza, per i quali SPoE è più facilmente scalabile
• Sistemi di gestione del traffico che richiedono un funzionamento e una connettività costanti
• Alimentazione e gestione dei dispositivi edge IoT
• Alimentazione remota per segnaletica digitale e illuminazione esterna

Considerazioni sulla progettazione con SPoE

SPoE utilizza la tecnica dell'alimentazione "fantasma" per sovrapporre il segnale di alimentazione a quello di dati sulla stessa coppia di fili, richiedendo complessi controller a ciascuna estremità del cavo per separare e regolare i segnali di alimentazione e di dati. Le applicazioni devono anche tener conto delle perdite di potenza e della dissipazione di calore lungo il cavo, che possono influire sulle prestazioni e sull'affidabilità del sistema.

Il controller di un'apparecchiatura di alimentazione (PSE) fornisce una sofisticata gestione e conversione dell'alimentazione che garantisce una distribuzione dell'energia elettrica sicura, stabile ed efficiente. Funziona in combinazione con i controller di dispositivi alimentati (PD) che ricevono energia attraverso il cavo a 2 fili.

I controller PSE progettati per più canali possono alimentare diversi dispositivi remoti, come i sensori. Ad esempio LTC4296-1 di Analog Devices, Inc. (ADI) è un controller SPoE a 5 porte in grado di alimentare fino a cinque carichi su cinque linee, ciascuna fino a 1.000 m di lunghezza (Figura 2). Eroga l'alimentazione utilizzando transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) a canale N esterni a bassa resistenza nello stato On (RDSon) drain/source, che riducono al minimo la caduta di tensione e garantiscono la robustezza dell'applicazione.

Figura 2: Controller per apparecchiature di alimentazione (PSE) a 5 porte LTC4296-1 di ADI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1 è una soluzione SPoE e PSE versatile per controller e switch 10BASE-T1L e può essere facilmente integrato con i componenti del portafoglio di transceiver 10BASE-T1L di ADI, come il dispositivo a 2 porte ADIN2111CCPZ-R7, che integra uno switch, due core di livello fisico (PHY) Ethernet con un'interfaccia MAC e circuiti analogici associati, un circuito di monitoraggio dell'alimentazione e un circuito di reset all'accensione (POR). Il transceiver offre una connettività diretta con una serie di controller tramite un'interfaccia periferica seriale (SPI).

All'altro capo, LTC9111RDE#PBF è uno dei numerosi controller PD di ADI che offrono una capacità di funzionamento da 2,3 V a 60 V con correzione della polarità (Figura 3). Il controller gestisce la classificazione e il monitoraggio della trasmissione della linea, pilotando due interruttori MOSFET a canale N esterni durante la classificazione con funzionamento in micropotenza per ridurre al minimo i requisiti del condensatore di riserva. Un interruttore MOSFET a canale N esterno isola la capacità di uscita dal connettore durante la classificazione e l'inserzione.

Figura 3: Un controller SPoE PSE LTC4296-1 è adatto a pilotare fino a cinque canali, qui collegati ai controller PD LTC9111. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I controller serie LTC9111 presentano una firma di riattivazione valida al PSE per richiedere l'alimentazione. I controller PSE e PD conformi allo standard IEEE 802.3cg eseguono la fase di classificazione utilizzando il protocollo di classificazione della comunicazione seriale; il PSE si assicura che il PD sia compatibile e, in caso affermativo, procede ad aumentare la tensione della porta. Se il dispositivo elettrico azionato necessita di una tensione diversa da 24 V o 55 V, si utilizza un convertitore c.c./c.c. aggiuntivo.

ADI fornisce anche il kit di valutazione EVAL-SPoE-KIT-AZ per valutare i dati 10BASE-T1L e l'alimentazione SPoE su un singolo cavo Ethernet a doppino intrecciato (SPE). Il kit comprende il controller PSE LTC4296-1 e LTC9111 PD per la valutazione dell'alimentazione SPoE IEEE 802.3cg di classe 10-15 e un transceiver 10BASE-T1L per fornire dati al sistema.

Implementazione di applicazioni SPoE

I progettisti di prodotti devono ottimizzare la potenza disponibile e l'efficienza delle loro soluzioni SPoE, tenendo conto di parametri quali la lunghezza, il diametro, la resistenza, la temperatura e l'ambiente del cavo.

Bilanciare la distribuzione dell'energia elettrica e la trasmissione di dati su un singolo doppino intrecciato presenta alcune sfide, come garantire un'alimentazione sufficiente ai dispositivi remoti e mantenere l'integrità dei dati su distanze anche lunghe.

La distribuzione dell'energia elettrica su cavi lunghi alla tensione di alimentazione di 24 V c.c., tipica in molte implementazioni OT, è soggetta a perdite significative dovute alla resistenza dei cavi. Lo standard IEEE 802.3cg prevede che SPoE funzioni a una tensione di 24 V o 55 V, in modo che i progettisti possano sfruttare una maggiore efficienza di distribuzione dell'energia elettrica in prossimità della tensione massima di sicurezza extrabassa (SELV) di 60 V.

Conclusione

SPoE è una tecnologia emergente che consente la trasmissione simultanea di dati e alimentazione su un unico doppino intrecciato nei cavi Ethernet. Ciò può ridurre i costi, la complessità e l'impatto ambientale delle infrastrutture di rete, oltre a fornire maggiore flessibilità, scalabilità e affidabilità ai dispositivi connessi. La gamma di controller PSE e PD conformi allo standard IEEE 802.3cg di ADI è in grado di semplificare la progettazione e l'implementazione di applicazioni SPoE con un'elevata efficienza e un basso livello di rumore, ed è quindi ideale per i sistemi industriali, automotive e per edifici intelligenti che richiedono una connettività robusta e affidabile.