PoE – Power-over-Ethernet

Questo articolo introduce il componente Si3402 della Silicon Labs, si tratta di un regolatore a commutazione in grado di implementare per un dispositivo la funzionalità di Power-over-Ethernet, ossia la possibilità di ricavare alimentazione attraverso il cavo Ethernet.

Il Si3402 è uno dei più completi regolatori switching in ambito industriale, conforme alla IEEE 802.3, in grado di implementare un’interfaccia PoE PD (Power-over-Ethernet Powered Device) e fornire un segnale PWM per la regolazione di tensione. Grazie a questo componente la Silicon Labs è arrivata a definire nuovi standard in termini di integrazione, riduzione del BOM, efficienza e affidabilità. Grazie al Si3402 i progettisti possono aggiungere facilmente la funzionalità PoE ai loro dispositivi Ethernet. Le applicazioni sono molteplici:

- punti di accesso Wireless;
- telefoni Voice over IP (VoIP);
- lettori RFID;
- terminali POS;
- sistemi di sicurezza;
- telecamere di rete;
- qualsiasi client di rete che sia dotato di connessione Ethernet.

Il Si3402 converte l’alta tensione (tipicamente 48V DC) fornita dal doppino di rame intrecciato, in una tensione di alimentazione continua e regolata. Inoltre, il componente implementa tutti i requisiti previsti dal paragrafo 33 della IEEE 802.3 in merito ad identificazione, classificazione e possibilità di “collegamento a caldo”, aggiungendo un regolatore a commutazione PWM ad alta efficienza equipaggiato di avvio progressivo.

NEL DETTAGLIO

Il perché il Si3402 risulti così innovativo rispetto ad altri prodotti simili disponibili sul mercato, lo si capisce subito osservando lo schema a blocchi di Figura 1.

Figura 1: Schema a blocchi del Si3402.

Figura 1: Schema a blocchi del Si3402

Risulta subito evidente che il dispositivo integra due ponti a diodi completi per la rettifica della tensione, un soppressore di transitori e un driver FET per la regolazione direttamente all’interno. A seconda dell’isolamento richiesto dalla specifica applicazione, il beneficio principale quindi risulta la rimozione dal BOM dei componenti citati in precedenza, con un risparmio di spazio di un buon 30% e di circa 30/40 centesimi sulla spesa complessiva con il vantaggio, da non sottovalutare, di poter collegare direttamente i segnali provenienti dal connettore RJ-45 al chip, minimizzando l’effetto delle EMI. Seppur non direttamente valutabili, anche il design, il layout del PCB e la validazione trovano giovamento nell’utilizzo del Si3402. Il regolatore switching integrato supporta sia la tipologia di conversione isolata (flyback) che non isolata (buck). Come citato in precedenza, il Si3402 supporta lo standard IEEE 802.3™ 2008, incluso l’emendamento IEEE 802.3 at-2009 nel caso di classificazione del singolo evento. Delle resistenze esterne, collegate al Si3402, forniscono la necessaria impronta voluta dall’802.3 per le funzioni di “detection” e la programmazione del “classification mode”. Un circuito di startup assicura che nelle fasi di avvio sia tutto sotto controllo, sia per quel che riguarda il circuito di hotswap, sia per il regolatore di tensione. Il Si3402 è disponibile in contenitore QFN a 20 pin, con le dimensioni di 5 x 5 mm, questo pone un vincolo alla massima potenza del dispositivo che si va ad alimentare; secondo il foglio specifiche è meglio non superare i 10W, anche se potenzialmente si potrebbe arrivare a 15W senza problemi.

PoE IN BREVE

Il PoE è uno standard IEEE (IEEE802.3af) per fornire alimentazione tramite il cavo Ethernet. Lo standard definisce due opzioni mostrate in Figura 2 e Figura 3. L’opzione di Figura 2 è dedicata a dispositivi tipo midspan, che iniettano potenza nella connessione ethernet.

Figura 2: Alimentazione distribuita tramite doppino ausiliario

Figura 2: Alimentazione distribuita tramite doppino ausiliario

Per i dispositivi finali come switch o router deve essere usata l’opzione di Figura 3.

Figura 3: Alimentazione distribuita tramite doppino di segnale.

Figura 3: Alimentazione distribuita tramite doppino di segnale

Il dispositivo di alimentazione (PSE) fornisce da 44 a 57 VDC e deve essere isolato rispetto alla terra. Il dispositivo alimentato (PD) non deve consumare più di 12,95W, equivalenti a 350mA di corrente continuativa, consentendo 20 ohm di resistenza sul cavo tra i due dispositivi. Questo significa che per il PD sono disponibili all’incirca 10W, sufficienti per telefoni VoIP, router wireless e dispositivi di sicurezza che in questo modo non necessitano di un alimentatore esterno.
Lo standard prevede:

- un modo per il PSE di riconoscere che il PD è di tipo PoE, evitando cosi di danneggiarlo;
- un metodo per consentire al PD di comunicare al PSE la “classification information” che permette al PSE di determinare i requisiti di potenza nel caso di più dispositivi PD connessi;
- l’interoperabilità tra PSE e PD di diversi costruttori.

Il ciclo di alimentazione di un dispositivo PoE è mostrato in Figura 4.

Figura 4: Ciclo di alimentazione.

Figura 4: Ciclo di alimentazione

La prima fase è quella di detection, il PSE applica 2 tensioni tra 2,8 e 10V DC e misura la corrente (con un limite di 5mA). L’inclinazione della caratteristica I-V del PD deve essere tra 23,75 e 26,25 kohm, impostata mediante una resistenza. La capacità d’ingresso del PD deve rimanere tra 50 e 120nF, anch’essa impostabile attraverso una capacità esterna. Se questa fase viene rivolta ad un dispositivo non PoE, siamo in grado di individuarlo senza arrecare danni al medesimo. Durante la fase di classificazione il PSE applica una tensione tra 15,5 e 20,5V, limitata in corrente a 100mA, e determina i requisiti massimi della potenza da fornire al PD. Una resistenza esterna solitamente imposta il livello di corrente che a sua volta individua una classe come in Figura 5 e Figura 6.

Figura 5: Potenza del PD in funzione della classe.

Figura 5: Potenza del PD in funzione della classe

 

Figura 6: Classificazion e del PD in base alla corrente.

Figura 6: Classificazione del PD in base alla corrente

La terza e ultima fase è quella del power-up, nelle fasi precedenti il PD non ha applicato alimentazione al carico. Al termine di questa fase il PSE fornisce una rampa di tensione tra 44 e 57V e il PD si accende chiudendo il suo collegamento interno di hot-swap. Il PD si sveglia quando la tensione arriva a 42V e dopo l’accensione si verifica una caduta fino a 37V a causa della resistenza del cavo. Da questo punto di vista il Si3402 ha una serie di circuiti che consentono due step in cui cambia la corrente di limitazione, consentendo in questo modo di generare un avvio progressivo ed evitare correnti di spunto.

APPLICAZIONE TIPICA

Analizziamo una classica applicazione con il Si3402, sia non isolata che isolata. In Figura 7 abbiamo lo schema di un regolatore PoE in classe 0 con uscita non isolata a 5V.

Figura 7: Schema in classe 0 con uscita non isolata a 5V

Figura 7: Schema in classe 0 con uscita non isolata a 5V

In Figura 8 invece abbiamo lo schema per un regolatore in classe 1 con uscita isolata a 5V. In base a quanto detto in precedenza possiamo vedere che R1 è la resistenza di detection. Nello schema di Figura 8 dove imponiamo la classe, possiamo vedere come sia stata aggiunta la R8. Per il dettaglio dei componenti si rimanda al foglio specifiche del Si3402.

Figura 8: Schema in classe 1 con uscita isolata a 5V.

Figura 8: Schema in classe 1 con uscita isolata a 5V

INIZIAMO A SVILUPPARE

Per chi volesse iniziare ad utilizzare il Si3402, la Silicon Labs mette a disposizione un’utilissima Evaluation board, la Si3402-EVB, visibile in Figura 9.

Figura 9: Si3402-EVB.

Figura 9: Si3402-EVB

Per chi avesse necessità di realizzare un’alimentazione isolata, allora il part number corretto della scheda è Si3402ISO-EVB. Oltre alla scheda sarà ovviamente necessario un PSE 802.3afcompliant, Silicon Labs consiglia di utilizzare il Phihong PSA16U- 480, ma qualsiasi alimentatore PoE va bene purché soddisfi la specifica.

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