コンパクトな統合コネクタモジュールはノイズを低減し、AIアプリケーションにEthernet経由で電力を供給

ネットワーク機器の爆発的な増加に伴い、ネットワーク設計者は、エッジノードが収集するデータの種類や量、そのデータの送信先、そして最適な送信方法について、絶えず再考しています。また、これらのエッジノードへの電力供給も、ますますネットワーク設計者の課題となっています。

Power over Ethernet（PoE）は、データ伝送と電力の両方に対応する技術の1つです。この記事では、PoE技術の概要を解説し、人工知能（AI）および機械学習（ML）アプリケーションにおけるPoEの将来性を考察するとともに、ネットワーク設計者がPoEコンポーネントを選択する際に考慮すべき点についてご紹介します。

差動信号はどのようにしてPoEを可能にするのか

Ethernetは、固有のノイズ低減機能を備え、信頼性が高く、時間的制約のある接続ネットワークを実現します。CAT 5およびCAT 6に分類される現代のEthernetケーブルには、4つのツイストペアを形成する8本のワイヤが含まれています。データは、各ツイストペアを介して差動電圧信号の形で送信されます。ツイストペアの一方のワイヤが正電圧に引き上げられると、もう一方のワイヤは同じ負電圧に引き下げられます。結果として得られる差動電圧の符号が、送信されるデータを符号化します。

差動信号は、コモンモードノイズなどの特定の種類の電磁妨害（EMI）に対して本質的に耐性を持っています。これは、そのような干渉が発生しても、ツイストペアの両方のワイヤにおける伝送電圧が同じ量だけ上昇または低下するため、最終的に得られる差動電圧は変わらないからです。このノイズ耐性が、当初Ethernet技術が広く普及した要因であり、PoEを可能にしているものです。

PoEの設備では、個々の差動電圧信号に影響を与えることなく、ケーブル内の異なるツイストペアに異なるDCバイアスが印加されます。フィルタ回路はACデータ信号を分離してコントローラへ送り、電源回路はDCバイアスから電力を消費します。

Ethernetケーブル、RJ45ジャック、ネットワークプロトコルは、IEEE 802.3で定義されています。この規格はさらに、PoEアプリケーション向けに3つの異なる電力レベルを規定しており、将来のより高い電力レベルにも対応できる余地を残しています（表1）。

表1：PoEの設備は、供給する電力に応じて、Ethernet接続とともにIEEE 802.3の異なる規格部分に準拠します。（画像提供：Bel）

IEEE 802.3afに基づく低電力PoE構成は、センサ、モノのインターネット（IoT）デバイス、シンプルなシングルボードコンピュータなどのデバイスに最大15.4Wを供給します。IEEE 802.3atは、ネットワークルータ、モニタ、オンボードまたはエッジ処理機能を備えたIoTデバイスに最大30.0Wを供給する中電力PoE+構成を定義しています。最高レベルの電力は、IEEE 802.3btで定義されたPoE++構成によって供給されます。これらの設備は、シンクライアント、産業オートメーションシステム、LED照明、セキュリティカメラに最大90.0Wを供給します。

PoEの可能性

電力レベルにかかわらず、PoEは個別の電源ケーブル、プラグ、AC/DCコンバータが不要になるため、設置作業を簡素化し、ミスを防ぐことができます。また、ケーブルが1本で済むため、故障の原因となり得る箇所が大幅に減り、トラブルシューティングやエネルギー効率の最適化も容易になります。

PoE規格の発展により、AIやMLアプリケーションが実現可能になりました。たとえば、タイプ1のPoEを介して接続された低電力センサのネットワークを考えてみましょう。ネットワーク設計者は、長距離にわたって電源ケーブルを敷設したり、広大なエリアに電源を分散配置したりする必要がなく、AIプロセッサに直接データを送るメッシュネットワークを構築し、環境に関するリアルタイムの知識を提供することができます。

タイプ2のPoE設備を使えば、そのAI処理をエッジノードで分散させることが可能です。AIや高負荷の計算処理は、データが収集されている場所でローカルに実行できます。これにより、環境に対してリアルタイムで反応できる、より俊敏なネットワークが実現し、同時に他のタスクのために中核となる計算能力を確保することができます。

タイプ3および4のPoE設備は、より堅牢なAIエッジ処理を提供する高性能コンピューティングシステムに対応します。タイプ4のPoEで利用可能な高電力は、産業オートメーション能力を革新し得るマシンビジョンやその他のMLプロセスをサポートします。

PoEネットワークから供給される電力や伝送されるデータ量が増加するにつれて、EMIや無線周波数干渉（RFI）に対する懸念も高まっています。データの完全性が保たれないのであれば、Ethernetネットワークの到達範囲を拡大してもほとんど意味がありません。したがって、設計者はアプリケーションに適したPoEタイプを選択するだけでなく、さまざまな種類の電子ノイズを遮断して信号の完全性を維持するマグネティクスやフィルタも選択する必要があります。

ICMはコネクティビティとフィルタ機能を統合

BelのMagJackシリーズ（図1）のような統合コネクタモジュール（ICM）は、RJ45 Ethernetジャックと同じプリント基板（PCB）のフットプリント内にマグネティクスを収め、レイアウト効率を最大限に高めています。

図1：MagJack ICMは、RJ45コネクタと堅牢なフィルタリング用マグネティクス、EMI/RFIシールドをコンパクトなパッケージに組み合わせることで、PoEの導入をサポートします。（画像提供：Bel）

MagJackラインのICMは、10BASE-T（10Mbps）から10GBASE-T（10Gbps）までのさまざまなEthernet速度をサポートし、最大120Wの電力を伝送します。シングルポートから2列8ポートのスタック構成、RJ45ポートとUSB-A 2.0ポートの組み合わせまで、さまざまなアプリケーションに柔軟に対応します。

設計者は、MagJackをPCBにどのように実装するかについても柔軟に選択できます。MagJackラインでは、スルーホール、面実装技術（SMT）、ピンアンドペースト、およびプレスフィット構成がすべて利用可能です。設計者は、アプリケーションに最適な実装技術を選択する際に、熱管理、保守性、基板厚さ、挿入応力、製造性を考慮することができます。

たとえば、SMT、ピンアンドペースト、スルーホールによるPCB実装技術は、すでにはんだ付け生産ラインが整っている場合、大量生産に適した選択肢となります。スルーホール型MagJack ICMのはんだ付けピンは堅牢な機械的接続を形成し、このシンプルでコスト効率の高い取り付け設計と相まって、過酷な産業環境や屋外環境で信頼性を確保するための従来からの選択肢となってきました。

一方、プレスフィットMagJackユニットの柔軟なリン青銅ピン設計のようなプレスフィット設計は、製造中にPCBやその上の部品を過度の熱にさらしたくないという設計者のニーズに応える、より適した選択肢となります。ジャックの98ピンは、導電性金属でコーティングされたPCBの穴に押し込まれます。複数のピン接続により、RJ45コネクタの挿抜を繰り返しても、はんだ接合部の疲労リスクなしに安定した接続が得られます。この設計は、はんだのリワークが不要なため、現場での保守も容易です。

はんだテールを必要としないプレスフィットICMは、スタックバックプレーンを含む厚さ2.05mm以上のPCBに取り付けることができます。これにより、設計者は、高密度のネットワークポートや高電力のPoEを必要とするエッジ処理機能付きカメラなどのアプリケーションにおいても、PCBスペースを効率的に活用できるという高い柔軟性を得ることができます。

まとめ

柔軟なプレスフィットピンを使用する場合でも、スルーホールにはんだ付けされたピンを使用する場合でも、MagJackシリーズのようなICMは、産業用Ethernetネットワークを実現します。その統合マグネティクスは、Ethernetデータとともに最大120Wの電力を伝送するPoEアプリケーションでも、コンパクトなパッケージで信号の完全性を維持します。

堅牢かつコンパクトな設計、信号フィルタリング、電力伝送の組み合わせにより、MagJack ICMは産業用Ethernetネットワークに不可欠なものとなり、設計者は配線や製造工程を追加することなく、AIやMLアプリケーションを進化させることができます。