Molte applicazioni PoE fanno uso di alimentazioni ausiliarie, tipicamente degli alimentatori brick, connessi al dispositivo alimentato (Powered Device o PD), dotati di un connettore maschio per la presa a muro, denominato "WALL WART" perchè, essendo ingombrante, tende a bloccare anche le prese vicine. L'integrazione dell'alimentazione ausiliaria può essere un compito arduo e il progettista di sistemi PoE deve comprendere i vari metodi e i relativi compromessi che esistono per ciascuno di essi.
Le tre configurazioni comunemente usate per aggiungere un’alimentazione ausiliaria ai sistemi PoE, consistono nel multiplexare l’alimentazione ausiliaria con quella PoE nei seguenti modi:
➤ attraverso la sezione sostituibile a caldo (hot swap);
➤ direttamente all’ingresso del controllore dell’alimentazione del PD;
➤ direttamente alla tensione di uscita isolata dell’alimentatore del PD.
Nel primo caso, l’alimentazione è multiplexata verso il front-end del PD ed è distribuita attraverso la sezione sostituibile a caldo. Questa è talvolta definita come “front aux” (alimentatore ausiliario frontale o front auxiliary power supply) ed è illustrata in figura 1.
Figura 1: un alimentatore ausiliario frontale (“front aux”).
La front aux ha il vantaggio di assicurare la protezione per le connessioni hot swap, dato che l’alimentazione è fornita attraverso il controllore di interfaccia PoE del PD. Se il potenziale della front aux è inferiore rispetto ai livelli PoE normali, la prima alimentazione applicata fornirà potenza per un periodo indefinito. Questo succede perché l’inserimento dell’alimentazione ausiliaria prima dell’unità PoE elimina la capacità del PSE di rilevare la resistenza caratteristica (signature resistance) del PD; ciò avverrà ogni qualvolta si ricorre alla front aux. Tuttavia, se è alimentata per prima l’unità PoE, l’alimentatore ausiliario a potenziale inferiore sarà bloccato dal diodo polarizzato inversamente dell’alimentatore ausiliario. Un ulteriore svantaggio della front aux a bassa tensione è dato dal potenziale per la limitazione del prelievo di energia. Questo si può verificare quando la funzione di limitazione della corrente durante la sostituzione a caldo (hot swap) riduce il prelievo di corrente dall’alimentazione ausiliaria. Se il potenziale della front aux è confrontabile o superiore rispetto a quello dell’unità PoE, la situazione si complica ulteriormente dato che i due alimentatori possono condividere il carico PD proporzionalmente alle loro tensioni di regolazione e in modo inversamente proporzionale alle loro impedenze di uscita. Si ha un’altra complicazione seria quando è applicata una sorgente ausiliaria a potenziale superiore perché presenta al controllore una nuova condizione di sostituzione a caldo (hot swap). L’aumento improvviso della tensione di ingresso del controllore del PD potrebbe forzare il transistor usato per la funzione hot swap nella modalità con limitazione di corrente, dato che il MOSFET carica il condensatore in ingresso dell’alimentatore. Questo negherà momentaneamente lo stato “Power Good” all’ingresso del sistema, che deve essere filtrato per mantenere un’erogazione continua dell’alimentazione. Il controllore hot-swap dovrebbe avere il proprio limite di corrente impostato ben al di sopra del valore della corrente DC che è filtrata in corrispondenza del carico. Se il limite della corrente DC è impostato a un valore troppo basso, si avrà un valore insufficiente di corrente aggiuntiva nel controllore hot swap per caricare i condensatori di carico prima che si verifichi un errore. Inoltre la disconnessione dell’alimentazione deve essere valutata con attenzione. Se non è presente l’alimentazione PoE, situazione che si può avere se l’alimentazione front aux è stata applicata per prima, l’erogazione dell’alimentazione non sarà mantenuta quando l’alimentazione ausiliaria è rimossa perché i condensatori nel modulo devono scaricarsi completamente prima che il PSE sia in grado di rilevare una firma valida e di riapplicare l’alimentazione. La continuità dell’alimentazione è garantita se è presente la front aux e l’alimentazione PoE è rimossa in qualsiasi istante. L’applicazione dell’alimentazione front aux può essere un concetto difficile e che genera confusione. Molte delle complicazioni sono ridotte se l’alimentazione ausiliaria è fornita direttamente alla sezione di alimentazione del modulo (definita talvolta come rear aux), come mostrato in figura 2.
Figura 2: un alimentatore ausiliario “rear aux”.
Inoltre la rear aux sarà dominante se sarà applicata per prima al modulo, perché polarizza inversamente i ponti di diodi in ingresso impedendo al PSE di riconoscere una firma valida. In relazione al circuito integrato controllore scelto per il PD, l’utente potrebbe avere l’opzione di disabilitare l’interfaccia PoE dietro applicazione dell’alimentazione rear aux. Quando l’alimentazione PoE è disabilitata mentre l’alimentazione ausiliaria è disponibile, la configurazione è definita come “aux dominant”. La modalità aux dominant disabilita l’interruttore MOSFET di potenza del controllore hot swap, impedendo così l’erogazione dell’alimentazione PoE. La rilevazione della “Maintain Power Signature” in DC è eseguita dal PSE, come definito nello standard IEEE 802.3, e il PSE rimuoverà l’alimentazione PoE perché considererà il PD disconnesso. Questo è uno dei principali vantaggi del metodo rear aux perché rimuove il carico dall’alimentazione del PSE consentendo così di riallocare l’alimentazione ad altre porte. Se il metodo rearaux è configurato per la non dominanza e l’alimentazione PoE è applicata per prima, allora l’alimentazione ausiliaria non fornirà potenza finché l’alimentazione PoE non è rimossa. Come nel caso del front aux, l’erogazione della potenza sul carico sarà mantenuta in modalità dominante o non dominante fintanto che l’alimentazione rear aux è presente. Se l’alimentazione ausiliaria è rimossa e l’alimentazione PoE non è abilitata (per la dominanza dell’alimentazione ausiliaria o perché l’alimentazione ausiliaria è applicata per prima), non sarà mantenuta la continuità della potenza fornita. L’opzione finale, in cui l’alimentazione ausiliaria è connessa in parallelo (secondo l’OR logico) direttamente all’uscita dell’alimentazione del PD, è una soluzione semplice ma offre pochi vantaggi. Richiede un’alimentazione ausiliaria che sia progettata per fornire la corrente e le tensioni regolate richieste dal carico del PD. In più, questa configurazione richiede in genere componenti aggiuntivi e alcune duplicazioni di funzioni, eventualmente persino un secondo regolatore a commutazione isolato o un regolatore secondario lineare. L’aggiunta dell’alimentazione secondaria ai dispositivi alimentati di tipo POE può essere un compito complesso e frustrante. Solo comprendendo i costi, i vantaggi e i limiti di ciascuna configurazione il progettista di apparecchi con funzionalità PoE può selezionare lo schema più adatto e assicurare le prestazioni di sistema desiderate.
Interfaccia PD Power-over-Ethernet integrata e controllore PWM
Il dispositivo LM5070, che integra una porta di interfaccia di potenza e un controllore Pulse-Width-Modulation (PWM) for nisce una soluzione completa integrata per PD (Powered Device) che si connettono a sistemi Power-over-Ether net (PoE). L’LM5070 integra uno switch per la connessione di linea da 80 V e 400 mA e le funzioni di controllo ad esso associate per un’interfaccia pienamente conforme allo standard IEEE 802.3af con un convertitore DC-DC pulse-width modulator in current mode dotato di funzionalità complete. Sono integrate nell’IC tutte le funzioni richieste per la sequenza di alimentazione fra l’interfaccia del controllore e l’alimentatore SMPS (Switch Mode Power Supply). Sono disponibili due opzioni per fornire o un limite massimo del duty cycle dell’80% compensazione della pendenza (con il suffisso -80) al dispositivo o un limite massimo del duty cycle del 50 % senza compensazione della pendenza (suffisso -50) al dispositivo.
Caratteristiche
➤ Porta di interfaccia di potenza pienamente conforme allo standard 802.3af
➤ MOSFET interno da 80V, 1 W e 400 mA.
➤ Limite programmabile per i picchi di corrente.
➤ Funzione di disconnessione con resistore di rivelazione.
➤ Corrente programmabile di classificazione.
➤ Under-voltage lockout programmabile con isteresi programmabile.
➤ Protezione da arresti (shutdown) termici.
➤ Convertitore Pulse Width Modulator in current mode.
➤ Supporta applicazioni sia isolate, sia non isolate.
➤ Amplificatore di errore e riferimento per le applicazioni non isolate.
Il componente LM5070 è disponibile in package TSSOP-16 e LLP-16 ed è ideale per l’uso nei dispositivi alimentati nelle reti PoE come telefoni IP, videocamere per la sicurezza, nodi W ireless Local Area Network (WLAN) e persino strumenti musicali attraverso porte e cavi di rete Ethernet.
