Kompakte, integrierte Anschlussmodule reduzieren Rauschen und liefern Strom über Ethernet für KI-Anwendungen

Angesichts der explosionsartigen Zunahme vernetzter Geräte müssen Netzwerkdesigner immer wieder neu überlegen, welche Arten und Mengen von Daten von Edge-Knoten erfasst werden, wohin diese Daten gehen müssen und wie sie am besten dorthin gelangen. Zunehmend steht auch die Stromversorgung dieser Randknoten auf der Liste der Netzdesigner.

PoE (Power over Ethernet) ist eine Technologie, die sowohl die Datenübertragung als auch die Stromversorgung ermöglicht. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die PoE-Technologie, untersucht die Zukunft von PoE in Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) und behandelt die Aspekte, die Netzwerkdesigner bei der Auswahl von PoE-Komponenten berücksichtigen müssen.

Wie die Differenzsignalübertragung PoE ermöglicht

Ethernet ermöglicht ein zuverlässiges, zeitkritisches Verbindungsnetz mit inhärenter Rauschunterdrückung. Moderne Ethernet-Kabel, die als CAT 5 und CAT 6 klassifiziert sind, enthalten acht Adern, die vier verdrillte Paare bilden. Die Daten werden über jedes verdrillte Kabelpaar in Form von Differenzsignalen übertragen. Wenn eine Ader eines verdrillten Paares auf eine positive Spannung gezogen wird, wird die andere Ader auf eine identische negative Spannung heruntergezogen. Das Vorzeichen der resultierenden Differenzspannung kodiert die gesendeten Daten.

Differenzsignale sind von Natur aus immun gegen bestimmte Arten von elektromagnetischen Störungen (EMI), wie z. B. Gleichtaktstörungen. Dies liegt daran, dass eine solche Interferenz die übertragene Spannung auf beiden Adern des verdrillten Paares um den gleichen Betrag anheben oder absenken würde, was zu der gleichen endgültigen Differenzspannung führen würde. Diese Störfestigkeit führte ursprünglich zur breiten Einführung der Ethernet-Technologie und macht PoE erst möglich.

In PoE-Installationen werden unterschiedliche DC-Vorspannungen an verschiedene verdrillte Paare innerhalb eines Kabels angelegt, ohne dass die einzelnen differentiellen Spannungssignale beeinflusst werden. Ein Filterkreis trennt die AC-Datensignale, die an ein Steuergerät gesendet werden sollen, während ein Stromkreis Strom aus der DC-Vorspannung bezieht.

Ethernet-Kabel, RJ45-Buchsen und Netzwerkprotokolle werden von der IEEE 802.3 definiert. Diese Norm legt drei verschiedene Leistungsstufen für PoE-Anwendungen fest und lässt Raum für höhere Leistungsstufen in der Zukunft (Tabelle 1).

Tabelle 1: PoE-Installationen entsprechen verschiedenen Teilen von IEEE 802.3, je nachdem, wie viel Strom sie zusammen mit der Ethernet-Vernetzung liefern. (Bildquelle: Bel)

Stromsparende PoE-Systeme gemäß IEEE 802.3af bieten bis zu 15,4 W für Geräte wie Sensoren, IoT-Geräte (Internet der Dinge) und einfache Einplatinencomputer. IEEE 802.3at definiert PoE+-Systeme mittlerer Leistung, die bis zu 30,0 W für Netzwerk-Router, Monitore und IoT-Geräte mit integrierten Funktionen oder für die Edge-Datenverarbeitung bereitstellen. Die höchste Leistung wird von PoE++-Systemen geliefert, die durch IEEE 803.2bt definiert sind. Diese Installationen liefern bis zu 90,0 W an Thin Clients, industrielle Automatisierungssysteme, LED-Beleuchtung und Sicherheitskameras.

Das Potenzial von PoE

Unabhängig von der Leistungsstufe vereinfacht PoE die Installation und macht sie fehlerfrei, da keine separaten Stromkabel, Stecker und AC/DC-Wandler mehr benötigt werden. Ein einziges Kabel beseitigt auch viele der möglichen Fehlerquellen, was die Fehlersuche und Energieoptimierung vereinfacht.

Die Entwicklung von PoE-Standards hat den Weg für KI- und ML-Anwendungen geebnet. Nehmen wir zum Beispiel ein Netzwerk von stromsparenden Sensoren, die über PoE Typ 1 angeschlossen sind. Ohne kilometerlange Stromkabel zu verlegen oder Netzteile über eine große Freifläche zu verteilen, können Netzwerkdesigner ein Datengeflecht schaffen, das direkt in einen KI-Prozessor eingespeist wird und Echtzeitwissen über eine Umgebung liefert.

Mit PoE-Installationen vom Typ 2 kann die KI-Verarbeitung auf Edge-Knoten verteilt werden. KI und rechenintensive Routinen können lokal dort ausgeführt werden, wo die Daten gesammelt werden. So entsteht ein flexibleres Netz, das in Echtzeit auf seine Umgebung reagieren kann, während die Kernrechenleistung für andere Aufgaben erhalten bleibt.

PoE-Installationen vom Typ 3 und 4 unterstützen die anspruchsvolleren Computersysteme, die eine noch robustere KI-Edge-Verarbeitung bieten. Die höhere Leistung, die mit PoE vom Typ 4 verfügbar ist, unterstützt die maschinelle Bildverarbeitung und andere ML-Prozesse, die die industriellen Automatisierungsmöglichkeiten revolutionieren können.

In dem Maße, wie die von einem PoE-Netzwerk gelieferte Leistung und das übertragene Datenvolumen zunehmen, wachsen auch die Bedenken hinsichtlich EMI und Hochfrequenzstörungen (RFI). Die Erweiterung der Reichweite eines Ethernet-Netzes nützt wenig, wenn die Datenintegrität nicht gewährleistet ist. Daher müssen Entwickler nicht nur den geeigneten PoE-Typ für ihre Anwendung auswählen, sondern auch Abschirmkomponenten und Filter, die die Signalintegrität aufrechterhalten, indem sie verschiedene Arten von elektronischem Rauschen herausfiltern.

ICMs kombinieren Vernetzung und Filterung

Integrierte Anschlussmodule (ICMs), wie die der Serie MagJack (Abbildung 1) von Bel, beherbergen Abschirmkomponenten auf der gleichen Platinenfläche wie die RJ45-Ethernet-Buchse, um die Layout-Effizienz zu maximieren.

Abbildung 1: MagJack-Anschlussmodule (ICMs) unterstützen den Einsatz von PoE durch die Kombination von RJ45-Steckern mit robusten Filtern und EMI/RFI-Abschirmung in kompakten Gehäusen. (Bildquelle: Bel)

Die ICMs der MagJack-Produktreihe unterstützen eine Vielzahl von Ethernet-Geschwindigkeiten von 10BASE-T (10 Mbit/s) bis 10GBASE-T (10 Gbit/s) bei einer Übertragungsleistung von bis zu 120 W. Konfigurationen von Einzelanschlüssen über zwei gestapelte Reihen mit acht Anschlüssen bis hin zu einer Kombination aus RJ45- und USB-A-2.0-Anschlüssen bieten Flexibilität für eine Vielzahl von Anwendungen.

Die Entwickler können außerdem flexibel wählen, wie die MagJacks auf einer Platine befestigt werden. Die MagJack-Produktreihe bietet Konfigurationen für Durchkontaktierung, Oberflächenmontage (SMT), Pin-and-Paste und Einpressen an. Bei der Wahl der besten Montagetechnik für die Anwendung können das Wärmemanagement, die Wartungsfreundlichkeit, die Plattendicke und die Steckbelastung sowie die Herstellbarkeit berücksichtigt werden.

So sind beispielsweise die Montagetechniken SMT, Pin-and-Paste und Durchkontaktierung eine gute Wahl für die Massenproduktion, wenn bereits eine Lötanlage vorhanden ist. Die bei der Durchkontaktierung gelöteten Stifte in MagJack-ICMs stellen eine robuste mechanische Verbindung her, die - zusammen mit dem einfachen, kosteneffektiven Befestigungsdesign - den Anschluss mittels Durchkontaktierung seit langem zur traditionellen Wahl macht, um Zuverlässigkeit in rauen Industrie- oder Außenumgebungen zu gewährleisten.

Andererseits ist eine Einpressoption, wie z. B. die nachgiebigen Phosphor-Bronze-Stifte der einpressbaren MagJack-Einheiten, eine bessere Wahl für Anwendungen, bei denen die Entwickler vermeiden wollen, dass die Leiterplatte oder die darauf befindlichen Komponenten während der Herstellung übermäßiger Hitze ausgesetzt werden. Die 98 Stifte der Buchsen drücken in Löcher in der Leiterplatte, die mit leitendem Metall beschichtet sind. Die mehrpoligen Verbindungen schaffen außerdem eine stabile Verbindung für das Einstecken und wiederholte Abziehen der RJ45-Stecker ohne das Risiko einer Ermüdung von Lötstellen. Diese Konstruktion ist auch einfacher zu warten, da keine Nacharbeit beim Löten erforderlich ist.

Ohne die Notwendigkeit von Lötfahnen können ICMs durch Einpressen auf Leiterplatten mit einer Dicke von 2,05 mm oder dicker, einschließlich gestapelter Busplatinen, befestigt werden. Dies gibt Entwicklern mehr Flexibilität, um den Platz auf der Leiterplatte effizient zu nutzen, selbst bei Anwendungen wie Kameras mit Edge-Verarbeitungsfunktionen, die eine hohe Dichte an Netzwerkanschlüssen und Hochleistungs-PoE erfordern.

Fazit

Unabhängig davon, ob sie konforme Einpressstifte oder per Durchkontaktierung eingelötete Stifte verwenden, ermöglichen ICMs wie die der MagJack-Serie industrielle Ethernet-Netzwerke. Ihre integrierten Filterkomponenten bewahren die Signalintegrität in einem kompakten Gehäuse, selbst in PoE-Anwendungen, die bis zu 120 W Leistung zusammen mit Ethernet-Daten übertragen.

Die Kombination aus robustem und kompaktem Design, Signalfilterung und Stromversorgung macht MagJack-ICMs zu einem integralen Bestandteil industrieller Ethernet-Netzwerke und ermöglicht es, KI- und ML-Anwendungen ohne zusätzliche Verkabelung oder Fertigungsschritte zu implementieren.