Modules de connecteurs intégrés compacts pour réduction du bruit et alimentation Power over Ethernet dans les applications d'IA

Face à l'explosion du nombre de dispositifs connectés, les concepteurs de réseaux doivent constamment réévaluer les types et les volumes de données collectées par les nœuds périphériques, la destination de ces données et la meilleure façon de les acheminer. L'alimentation de ces nœuds périphériques devient également une priorité pour les concepteurs de réseaux.

Power over Ethernet (PoE) est une technologie qui permet à la fois la transmission des données et l'alimentation électrique. Cet article présente la technologie PoE, explore son avenir dans les applications d'intelligence artificielle (IA) et d'apprentissage automatique (ML), et aborde les aspects que les concepteurs de réseaux doivent prendre en compte lors du choix des composants PoE.

La signalisation différentielle au service de la technologie PoE

L'Ethernet facilite un réseau de connectivité fiable et sensible au temps, avec une réduction inhérente du bruit. Les câbles Ethernet modernes, classés CAT 5 et CAT 6, contiennent huit fils formant quatre paires torsadées. Les données sont transmises via chaque paire torsadée sous forme de signaux de tension différentiels. Lorsqu'un fil d'une paire torsadée est porté à une tension positive, l'autre fil est ramené à une tension négative identique. Le signe de la tension différentielle résultante code les données transmises.

Les signaux différentiels sont intrinsèquement immunisés contre certains types d'interférences électromagnétiques (EMI), comme le bruit de mode commun. En effet, de telles interférences augmenteraient ou abaisseraient la tension transmise sur les deux fils de la paire torsadée de la même valeur, ce qui se traduirait par la même tension différentielle finale. Cette immunité au bruit est à l'origine de l'adoption généralisée de la technologie Ethernet et rend possible le PoE.

Dans les installations PoE, différentes polarisations continues sont appliquées à différentes paires torsadées dans un câble sans affecter les signaux de tension différentiels individuels. Un circuit de filtrage isole les signaux de données CA à envoyer à un contrôleur, tandis qu'un circuit de puissance tire l'énergie de la polarisation continue.

Les câbles Ethernet, les jacks RJ45 et les protocoles réseau sont définis par la norme IEEE 802.3. Cette norme définit en outre trois niveaux de puissance différents pour les applications PoE tout en prévoyant la possibilité d'intégrer des niveaux de puissance supérieur par la suite (Tableau 1).

Tableau 1 : Les installations PoE sont conformes à différentes parties de la norme IEEE 802.3 en fonction de la puissance qu'elles fournissent, ainsi que de la connectivité Ethernet. (Source de l'image : Bel)

Les configurations PoE basse consommation conformes à la norme IEEE 802.3af fournissent jusqu'à 15,4 W pour des dispositifs tels que les capteurs, les dispositifs Internet des objets (IoT) et les ordinateurs monocartes simples. La norme IEEE 802.3at définit des configurations PoE+ moyenne puissance qui fournissent jusqu'à 30,0 W aux routeurs réseau, aux moniteurs et aux dispositifs IoT dotés de capacités de traitement embarqué ou périphérique. Le niveau de puissance le plus élevé est fourni par les configurations PoE++, selon la norme IEEE 802.3bt. Ces installations fournissent jusqu'à 90,0 W aux clients légers, aux systèmes d'automatisation industrielle, à l'éclairage LED et aux caméras de sécurité.

Le potentiel du PoE

Quel que soit le niveau de puissance, le PoE simplifie et sécurise les installations en éliminant le besoin de câbles d'alimentation, de fiches et de convertisseurs CA/CC distincts. Un seul câble permet également d'éliminer de nombreux points de défaillance potentiels, simplifiant ainsi le dépannage et l'optimisation énergétique.

Le développement des normes PoE a ouvert la voie aux applications d'IA et d'apprentissage automatique. Prenons l'exemple d'un réseau de capteurs basse consommation connectés via PoE de type 1. Sans avoir à déployer des kilomètres de câbles électriques ni à répartir les alimentations sur une vaste zone ouverte, les concepteurs de réseaux peuvent créer un maillage de données qui alimente directement un processeur d'IA, fournissant ainsi des informations en temps réel sur l'environnement.

Grâce aux installations PoE de type 2, ce traitement IA peut être distribué au niveau des nœuds périphériques. L'IA et les routines de calcul intensif peuvent être exécutées localement, là où les données sont collectées. Cela permet de créer un réseau plus agile, capable de réagir en temps réel à son environnement tout en préservant la puissance de calcul principale pour d'autres tâches.

Les installations PoE de types 3 et 4 prennent en charge les systèmes informatiques plus exigeants qui fournissent un traitement IA en périphérie encore plus robuste. La puissance plus élevée disponible avec le PoE de type 4 prend en charge la vision industrielle et d'autres processus d'apprentissage automatique capables de révolutionner les capacités d'automatisation industrielle.

À mesure que la puissance fournie par un réseau PoE et le volume de données transmises augmentent, les préoccupations concernant les interférences électromagnétiques et les perturbations radioélectriques (RFI) s'intensifient également. L'extension de la portée d'un réseau Ethernet ne sert pas à grand-chose si l'intégrité des données n'est pas préservée. Par conséquent, en plus de choisir le type de PoE approprié à leur application, les concepteurs doivent également sélectionner des composants magnétiques et des filtres qui maintiennent l'intégrité des signaux en éliminant différents types de bruit électronique.

Les ICM combinent connectivité et filtres

Les modules de connecteurs intégrés (ICM), comme ceux de la série MagJack (Figure 1) de Bel, intègrent les composants magnétiques dans la même empreinte de circuit imprimé que le jack Ethernet RJ45 afin de maximiser l'efficacité de configuration.

Figure 1 : Les ICM MagJack facilitent le déploiement PoE en combinant des connecteurs RJ45 avec des composants magnétiques de filtrage robustes et un blindage EMI/RFI dans des boîtiers compacts. (Source de l'image : Bel)

Les ICM de la gamme MagJack prennent en charge une variété de débits Ethernet s'étendant de 10BASE-T (10 Mbps) à 10GBASE-T (10 Gbps) tout en transmettant jusqu'à 120 W de puissance. Les configurations, qu'il s'agisse d'un port individuel, de deux rangées empilées de huit ports ou d'une combinaison de ports RJ45 et USB-A 2.0, offrent une grande flexibilité pour de nombreuses applications.

Les concepteurs peuvent également choisir le mode de montage des modules MagJack sur un circuit imprimé. Les configurations à montage traversant, à montage en surface (CMS), pin-and-paste et à insertion en force sont toutes disponibles dans la gamme MagJack. Lors du choix de la meilleure technologie de montage pour leur application, les concepteurs peuvent prendre en compte la gestion thermique, la facilité de maintenance, l'épaisseur de la carte, les contraintes d'insertion et la fabricabilité.

Par exemple, les technologies de montage en surface, de montage traversant et pin-and-paste constituent de bons choix pour la production de masse lorsqu'une ligne de production de soudure est déjà en place. Les broches soudées dans les ICM MagJack à trous traversants créent une connexion mécanique robuste qui, associée à la conception de fixation simple et économique, fait depuis longtemps de la terminaison par soudure à trous traversants le choix traditionnel pour garantir la fiabilité dans les environnements industriels ou extérieurs difficiles.

En revanche, une conception à insertion en force, telle que la conception à broches en bronze phosphoreux sur les unités MagJack à insertion en force, constitue un meilleur choix dans les applications où les concepteurs souhaitent éviter d'exposer le circuit imprimé ou les composants à une chaleur excessive pendant la fabrication. Les 98 broches des jacks s'insèrent dans des trous du circuit imprimé recouverts de métal conducteur. Les connexions à broches multiples créent également une connexion stable pour l'insertion et le retrait répétés des connecteurs RJ45 sans risque de fatigue des joints de soudure. Cette conception facilite également la maintenance sur le terrain car aucune retouche de soudure n'est nécessaire.

Ne nécessitant pas de queues à souder, les ICM à insertion en force peuvent être fixés sur des circuits imprimés de 2,05 mm d'épaisseur ou plus, y compris les fonds de panier empilés. Cela offre aux concepteurs une plus grande flexibilité pour utiliser efficacement l'espace carte, même dans des applications telles que les caméras à capacité de traitement en périphérie qui requièrent une haute densité de ports réseau et une alimentation PoE haute puissance.

Conclusion

Qu'ils utilisent des broches à insertion en force conformes ou des broches soudées dans des trous traversants, les ICM tels que ceux de la série MagJack permettent la mise en place de réseaux Ethernet industriels. Leurs composants magnétiques intégrés préservent l'intégrité des signaux dans un boîtier compact, même dans les applications PoE transmettant jusqu'à 120 W de puissance en même temps que les données Ethernet.

Grâce à leur combinaison d'une conception robuste et compacte, du filtrage des signaux et de la transmission de puissance, les ICM MagJack constituent des éléments essentiels des réseaux Ethernet industriels, permettant aux concepteurs de développer des applications d'IA et d'apprentissage automatique sans câblage ni étapes de fabrication supplémentaires.