Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. L’acronimo PoE (Power over Ethernet) rappresenta un protocollo di comunicazione che consente di trasmettere dati attraverso un cavo Ethernet e fornire al tempo stesso alimentazione. LTPoE++ costituisce un supporto PoE ad alta potenza che permette una riduzione dei costi iniziali. Grazie alla sua affidabilità, esso è la soluzione ad alta potenza più completa sul mercato.
Introduzione
Power over Ethernet, o PoE, è un modo sempre più diffuso di fornire alimentazione e trasmettere dati attraverso un cavo Ethernet, liberando le applicazioni dal vincolo di avere una sorgente di alimentazione AC vicina. L’aumento del numero di soluzioni PoE comporta un aumento della ricerca di alimentazione da parte delle applicazioni. Un nuovo standard proprietario, denominato LTPoE++™, soddisfa questa fame portando le specifiche PoE e PoE+ a 90W di alimentazione fornita al PD. Inoltre, rispetto ad altre soluzioni di questo tipo, LTPoE++ facilita notevolmente la progettazione dei PSE (Power Sourcing Equipment) e dei PD (Powered Device). Le caratteristiche che contraddistinguono LTPoE++ sono la funzionalità plug-and-play e un’alimentazione sicura e robusta. Le capacità di questo standard ampliano il campo delle applicazioni alimentate via Ethernet di parecchi ordini di grandezza, aprendo la strada a classi completamente nuove di PD, tra cui pico-celle che consumano molta energia, stazioni base e radiatori per videocamere PTZ (pan/tilt/zoom).
STORIA DEL PoE
PoE è un protocollo standard che consente di fornire un’alimentazione DC attraverso un cavo dati in rame Ethernet. Il gruppo IEEE, che gestisce gli standard Ethernet 802.3, ha aggiunto la funzionalità PoE nel 2003. La specifica PoE originale (802.3af) prevedeva un’alimentazione a 48V DC con potenze fino a 13W. Nonostante il successo riscosso dalla specifica iniziale, la soglia di 13W limitava il numero delle applicazioni possibili. Nel 2009 l’IEEE pubblicò un nuovo standard, denominato 802.3at o PoE+, che incrementava la tensione e la corrente in modo da fornire una potenza di 25,5W. Lo standard IEEE definisce anche la terminologia relativa al PoE (Figura 1).
Figura 1: Tipico sistema PoE
Il dispositivo che fornisce potenza alla rete è definito PSE (Power Sourcing Equipment), mentre il dispositivo che assorbe potenza dalla rete è definito PD (Powered Device). Esistono due tipi di PSE: gli end-point (solitamente switch o router di rete), che trasmettono sia dati che potenza, e i midspan, che erogano potenza, ma fungono da passthrough per i dati. I midspan sono normalmente utilizzati per aggiungere la funzionalità PoE a reti esistenti non PoE. Tra i PD figurano telefoni IP, access point wireless, videocamere di sicurezza, femtocelle per sistemi cellulari, pico-celle e stazioni base. La specifica PoE+ dell’IEEE prevede la compatibilità verso il basso con PSE e PD conformi allo standard 802.3af. La specifica PoE+ definisce i PSE e i PD di tipo 1 che forniscono fino a 13W, mentre quelli di tipo 2 forniscono fino a 25,5W di potenza.
EVOLUZIONE DI LTPoE++
La specifica PoE+ a 25,5W non era stata ancora completata, che le applicazioni iniziarono a richiedere livelli di potenza maggiori di 25,5W. In risposta a questa esigenza, la specifica LTPoE++ assegna fino a 90W di potenza a un PD LTPoE++. Lo standard LTPoE++ amplia i concetti di rilevamento e classificazione previsti dai protocolli PoE esistenti. LTPoE++ è compatibile verso il basso ed è in grado di interagire con PD di tipo 1 e 2. A differenza di altre soluzioni proprietarie, LTPoE++ consente l’identificazione reciproca tra PSE e PD. I PSE LTPoE++ sono in grado di distinguere tra un PD LTPoE++ e tutti gli altri tipi di PD conformi allo standard IEEE, il che consente ai PSE LTPoE++ di mantenere la conformità e l’interoperabilità con le apparecchiature esistenti. I PSE e i PD LTPoE++ sono in grado di interagire con dispositivi di tipo 1 e 2 conformi allo standard IEEE 802.3at. In genere i PSE di tipo 1 prevedono la funzionalità 802.3af con potenza uguale e inferiore a 13W. I PSE di tipo 2 portano il PoE tradizionale a 25,5W.
RILEVAMENTO DEI PD CONFORME ALLO STANDARD IEEE
Il rilevamento fisico e la classificazione LTPoE++ sono un’estensione semplice e compatibile verso il basso di schemi esistenti. Altri protocolli di estensione dell’alimentazione violano la specifica IEEE (Figura 2) e rischiano di attivare NIC non conformi noti. Qualsiasi schema di allocazione di potenza elevata che viola le specifiche previste dall’IEEE rischia di danneggiare e distruggere i dispositivi Ethernet non PoE. Le seguenti regole definiscono qualsiasi metodo di rilevamento per i più alti livelli di sicurezza e interoperabilità. Priorità 1: non accendere cose che non andrebbero accese. Priorità 2: accendi cose che vanno accese. I PSE offrono solidi schemi di rilevamento a quattro punti. I rilevamenti positivi errati sono ridotti al minimo grazie al controllo della resistenza tipica con misurazioni sia a corrente che a tensione forzata.
Figura 2: Range di resistenza tipici secondo lo standard IEEE 802.3at
Figura 3: Il metodo costoso per ampliare la potenza PoE+. Il doppio PD di tipo 2 fornisce più potenza del PD PoE+ standard, ma raddoppia anche i costi e il numero dei componenti
VANTAGGI DI LTPoE++
Per l’alimentazione i PSE PoE standard utilizzano due delle quattro coppie di cavi Ethernet disponibili. Alcune topologie usano due PSE e due PD su un cavo per erogare una potenza pari a 2 × 25,5W. Questa topologia a “tipo 2 doppio” è illustrata nella Figura 3. Il problema principale di questa strategia è che raddoppia il numero di componenti e, di conseguenza, i costi del PSE e del PD. Inoltre, per ottenere un design robusto, occorrono due convertitori DC/DC sul PD, uno per ogni componente PD, dove ogni convertitore DC/DC è un flyback relativamente complesso o un convertitore isolato forward. Nella configurazione a tipo 2 doppio è possibile eliminare uno dei convertitori DC/DC effettuando un collegamento tramite circuito OR sulla potenza in uscita del PD (Figura 4).
Figura 4: Un metodo meno costoso, ma imperfetto, per ampliare la potenza PoE+. Un’architettura con condivisione della potenza tramite diodo ORing riduce parte dei costi eliminando un convertitore DC/DC nel PD ma può esporre a sovratensioni
Questo metodo comporta comunque l’uso di due PSE e due PD, oltre che i relativi costi e gli svantaggi in termini di spazio. La caduta di tensione provocata dai diodi di ORing può essere vista come un equo compromesso per il risparmio che si ottiene usando un solo convertitore DC/DC. Nella maggior parte dei casi l’architettura con condivisione della potenza con diodi di ORing rimane interessante finché iniziano le prove sulla protezione contro le sovratensioni. Considerate le riduzioni intrinseche della tolleranza di protezione contro le sovratensioni, queste soluzioni soddisfano raramente gli obiettivi di progettazione dei PD. Invece, le soluzioni LTPoE++, come indicato nella Figura 5, richiedono solo un PSE, un PD e un convertitore DC/DC, con conseguente aumento dello spazio sulla scheda, riduzione dei costi e del tempo di sviluppo.
INTEROPERABILITÀ E OPZIONI DI LLDP
Nella fase di selezione e definizione dell’architettura di un sistema PoE, molti progettisti di PD rimangono sorpresi dai costi nascosti delle implementazioni LLDP (Link Layer Discovery Protocol). L’LLDP consente di negoziare a livello di software la potenza prevista dallo standard IEEE per il PD. Questo protocollo prevede estensioni agli stack Ethernet standard e può comportare un notevole lavoro di sviluppo software. Invece, la community open-source che deve garantire il supporto a LLDP è ancora agli albori. Se i PSE di tipo 2 possono eventualmente utilizzare LLDP, i PD di tipo 2 conformi allo standard IEEE devono adottare sia la classificazione fisica che le funzioni di negoziazione dell’alimentazione di LLDP. In primo luogo questo pone l’onere dello sviluppo software di LLDP su tutti i PD di tipo 2. Inoltre, i requisiti di doppia potenza previsti da LLDP complicano i progetti.
Nello specifico il processore sul lato PD, oltre ad essere perfettamente funzionale a 13W di potenza, deve avere la capacità di negoziare, tramite LLDP, la fornitura di ulteriore potenza. Ovviamente, questo requisito può portare a un aumento dei costi di sviluppo, di sistema e della complessità. LTPoE++ offre diverse opzioni per l’implementazione di LLDP. I PSE e i PD LTPoE++ negoziano in modo autonomo i livelli di potenza e le capacità a livello di hardware, pur restando compatibili con soluzioni basate su LLDP. In pratica LTPoE++ dà ai progettisti di sistemi la possibilità di implementare o meno l’LLDP. I sistemi end-to-end proprietari possono scegliere di fare a meno del supporto di LLDP, con conseguenti vantaggi in termini di time-to-market, ulteriore riduzione dei costi dei componenti, delle dimensioni della scheda e della complessità.
Figura 5: L’architettura LTPoE++ è l’unica soluzione PoE in grado di fornire 90W al PD, tenendo sotto controllo complessità e costi
RICHIESTE DI POTENZA DEMISTIFICATE
I percorsi di alimentazione PoE possono essere suddivisi in tre componenti principali: la potenza prodotta dal PSE, la potenza fornita al PD e la potenza fornita all’applicazione. Le esigenze di potenza del PSE e del PD devono essere esaminate con attenzione prima di poter fare un confronto utile. Un fornitore può descrivere la potenza erogata dal PSE, un altro quella fornita al PD, ma di solito al progettista di PD interessa la potenza consumata dall’applicazione. La metrica della potenza del PSE è quella che viene citata più spesso nella documentazione di marketing sebbene sia la meno utile delle tre. In genere la potenza del PSE è definita come la potenza fornita sul lato PSE del cavo Ethernet.
A volte la capacità di potenza subisce un’ulteriore distorsione quando i fornitori indicano un valore massimo nominale che raramente viene raggiunto. La potenza del PD, o “potenza fornita”, è quella erogata sul lato PD del cavo Ethernet, prima del ponte a diodi. La potenza del PD citata è un criterio più utile della potenza del PSE perché deve tener conto di perdite significative su 100 metri di cavo CAT-5e. Le esigenze di potenza del PD non tengono conto delle efficienze del convertitore DC/DC e del ponte a diodi dell’applicazione non essendo note ai fornitori del PSE e del PD. Al progettista di PD interessa di più la potenza fornita all’applicazione, tenendo conto di tutti gli effetti del sistema, inclusi la resistenza dei dispositivi magnetici Ethernet, le cadute di tensione del ponte a diodi e l’efficienza del convertitore DC/DC. Questa metrica, sebbene sia la più significativa, è quella più difficile da specificare con precisione.
DISPONIBILITÀ DEL PSE
È già disponibile una famiglia di PSE, con soluzioni da 1 a 12 porte.
CONCLUSIONI
LTPoE++ offre una solida soluzione PoE ad alta potenza end-to-end che comporta una riduzione dei costi iniziali. In combinazione con l’ottimo supporto applicativo, le forniture e la fama di affidabilità, LTPoE++ è la soluzione ad alta potenza più completa presente sul mercato. I sistemi LTPoE++ semplificano l’alimentazione e consentono ai progettisti di concentrarsi sulla progettazione di applicazioni di alto valore.
