Los módulos de conexión compactos e integrados reducen el ruido y suministran energía a través de Ethernet para aplicaciones de IA

Con el crecimiento explosivo de los dispositivos conectados en red, los diseñadores de redes se replantean continuamente los tipos y el volumen de los datos recogidos por los nodos periféricos, adónde deben ir esos datos y cuál es la mejor forma de hacerlos llegar hasta allí. Cada vez más, llevar energía a esos nodos de borde también entra en la lista del diseñador de redes.

La alimentación a través de Ethernet (PoE) es una tecnología que se ocupa tanto de la transmisión de datos como de la alimentación. Este artículo repasará la tecnología PoE, explorará el futuro de PoE en aplicaciones de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML), y cubrirá los aspectos que los diseñadores de redes deben tener en cuenta a la hora de seleccionar componentes PoE.

Cómo la señalización diferencial permite PoE

Ethernet facilita una red de conectividad fiable y sensible al tiempo con reducción inherente del ruido. Los cables Ethernet modernos, clasificados como tipos CAT 5 y CAT 6, contienen ocho hilos que forman cuatro pares trenzados. Los datos se envían a través de cada par trenzado en forma de señales de tensión diferencial. Cuando un cable de un par trenzado se eleva a una tensión positiva, el otro cable se baja a una tensión negativa idéntica. El signo de la tensión diferencial resultante codifica los datos que se envían.

Las señales diferenciales son intrínsecamente inmunes a ciertos tipos de interferencias electromagnéticas (EMI), como el ruido en modo común. Esto se debe a que dicha interferencia elevaría o reduciría la tensión transmitida en ambos hilos del par trenzado en la misma cantidad, lo que daría como resultado la misma tensión diferencial final. Esta inmunidad al ruido es lo que inicialmente condujo a la amplia adopción de la tecnología Ethernet y es lo que hace posible la PoE.

En las instalaciones PoE, se aplican diferentes polarizaciones de CC a distintos pares trenzados dentro de un cable sin afectar a las señales individuales de tensión diferencial. Un circuito de filtrado separa las señales de datos de CA para enviarlas a un controlador, mientras que un circuito de alimentación extrae energía de la polarización de CC.

Los cables Ethernet, las tomas RJ45 y los protocolos de red están definidos por el IEEE 802.3. Esa norma delimita además tres niveles de potencia diferentes para las aplicaciones PoE, al tiempo que deja margen para niveles de potencia superiores en el futuro (Tabla 1).

Tabla 1: Las instalaciones PoE se ajustan a diferentes partes de la norma IEEE 802.3 en función de la potencia que suministran, junto con la conectividad Ethernet. (Fuente de la imagen: Bel)

Las configuraciones PoE de baja potencia según IEEE 802.3af proporcionan hasta 15.4 W para dispositivos como sensores, dispositivos del Internet de las cosas (IoT) y computadoras simples de placa única. IEEE 802.3at define configuraciones PoE+ de potencia media que proporcionan hasta 30.0 W a enrutadores de red, monitores y dispositivos IoT con capacidades de procesamiento integradas o en el borde. El nivel más alto de potencia lo suministran las configuraciones PoE++, definidas por la norma IEEE 803.2bt. Estas instalaciones proporcionan hasta 90.0 W a clientes ligeros, sistemas de automatización industrial, iluminación LED y cámaras de seguridad.

El potencial de PoE

Independientemente del nivel de potencia, PoE simplifica y evita errores en las instalaciones al eliminar la necesidad de cables de alimentación, enchufes y convertidores CA/CC independientes. Un único cable también elimina muchos de los posibles puntos de fallo, lo que simplifica la resolución de problemas y la optimización energética.

El desarrollo de las normas PoE ha allanado el camino para las aplicaciones de IA y ML. Por ejemplo, considere una red de sensores de baja potencia conectados a través de PoE de tipo 1. Sin tener que desplegar kilómetros de cables de alimentación ni disponer de fuentes de alimentación distribuidas por una gran superficie abierta, los diseñadores de redes pueden crear una malla de datos que alimente directamente a un procesador de IA, proporcionando conocimientos en tiempo real sobre un entorno.

Utilizando instalaciones PoE de tipo 2, ese procesamiento de IA puede distribuirse en nodos periféricos. La IA y las rutinas de alta computación pueden ejecutarse localmente donde se están recogiendo los datos. Esto crea una red más ágil que puede reaccionar en tiempo real a su entorno, preservando al mismo tiempo la potencia de cálculo del núcleo para otras tareas.

Las instalaciones PoE de tipo 3 y 4 admiten los sistemas informáticos de mayor demanda que proporcionan un procesamiento de bordes de IA aún más sólidos. La mayor potencia disponible con PoE de tipo 4 es compatible con la visión artificial y otros procesos de ML que pueden revolucionar las capacidades de automatización industrial.

A medida que aumentan la potencia suministrada por una red PoE y el volumen de datos transmitidos, crece también la preocupación por la EMI y las interferencias de radiofrecuencia (RFI). Ampliar el alcance de una red Ethernet sirve de poco si no se preserva la integridad de los datos. Por lo tanto, además de elegir el tipo de PoE adecuado para su aplicación, los diseñadores también deben seleccionar magnéticos y filtros que mantengan la integridad de la señal mediante el cribado de diversos tipos de ruido electrónico.

Los ICM combinan conectividad y filtros

Los módulos de conectores integrados (ICM), como los de la serie MagJack de Bel (figura 1), alojan los imanes en el mismo espacio de la placa de circuito impreso (PCB) que la toma Ethernet RJ45 para maximizar la eficacia del diseño.

Figura 1: Los ICM MagJack apoyan la implementación de PoE combinando conectores RJ45 con una sólida magnética de filtrado y blindaje EMI/RFI en paquetes compactos. (Fuente de la imagen: Bel)

Los ICM de la línea MagJack admiten una variedad de velocidades Ethernet que van desde 10BASE-T (10 Mbps) hasta 10GBASE-T (10 Gbps) al tiempo que transmiten hasta 120 W de potencia. Las configuraciones, desde un solo puerto hasta dos filas apiladas de ocho puertos, pasando por una combinación de puertos RJ45 y USB-A 2.0, ofrecen flexibilidad para una gran variedad de aplicaciones.

Los diseñadores también tienen la flexibilidad de elegir cómo se montan los MagJacks en una placa de circuito impreso. La línea MagJack dispone de configuraciones con orificios pasantes, tecnología de montaje en superficie (SMT), pin-and-paste y ajuste a presión. Los diseñadores pueden tener en cuenta la gestión térmica, la capacidad de servicio, el grosor de la placa y la tensión de inserción, así como la facilidad de fabricación a la hora de elegir la mejor tecnología de montaje para su aplicación.

Por ejemplo, la tecnología de montaje de placas de circuito impreso SMT, pin-and-paste (conectar y pegar) y orificio pasante son buenas opciones para la producción en masa cuando ya existe una línea de producción de soldadura. Los pines soldados en los ICM MagJack de orificio pasante crean una conexión mecánica sólida, lo que ha hecho junto con el diseño de fijación sencillo y rentable, que la terminación soldada de agujero pasante sea desde hace tiempo la elección tradicional para garantizar la fiabilidad en entornos industriales o exteriores difíciles.

Por otro lado, un diseño de ajuste a presión, como el diseño de pasador de bronce fosforado conforme de las unidades MagJack de ajuste a presión, es una mejor opción en aplicaciones en las que los diseñadores quieren evitar exponer la placa de circuito impreso o los componentes que contiene a un calor excesivo durante la fabricación. Las 98 clavijas de las tomas se introducen a presión en unos orificios de la placa de circuito impreso recubiertos de metal conductor. Las conexiones de múltiples patillas también crean una conexión estable para la inserción y extracción repetida de los conectores RJ45 sin riesgo de fatiga de la unión soldada. Este diseño también es más fácil de reparar sobre el terreno porque no es necesario volver a soldar.

Sin necesidad de colas de soldadura, los ICM de ajuste a presión pueden fijarse a placas de circuito impreso de 2.05 mm de grosor o más, incluidas las placas base apiladas. Esto proporciona a los diseñadores una mayor flexibilidad para utilizar el espacio de la placa de circuito impreso de forma eficiente, incluso en aplicaciones como las cámaras con capacidad de procesamiento de bordes que requieren una alta densidad de puertos de red y PoE de alta potencia.

Conclusión

Tanto si utilizan pines conformes a presión como pines que se sueldan en orificios pasantes, los ICM como los de la serie MagJack hacen posible las redes Ethernet industriales. Su magnetismo integrado preserva la integridad de la señal en un paquete compacto, incluso en aplicaciones PoE que transportan hasta 120 W de potencia junto con datos Ethernet.

La combinación de un diseño robusto y compacto, el filtrado de señales y la transmisión de potencia hacen que los ICM MagJack sean integrales en las redes Ethernet industriales, permitiendo a los diseñadores avanzar en las aplicaciones de IA y ML sin añadir cableado ni pasos de fabricación.