USB 和以太網等有線數(shù)據(jù)連接還可以提供有效且便捷的解決方案,為當今最苛刻的物聯(lián)網端點供電。
物聯(lián)網端點的典型特征是功耗極低的設備,而且體積也很小,它們也可能是自供電的,或者設計為使用紐扣電池運行多年。實際上,物聯(lián)網包含更多樣化的設備類型,包括智能傳感器、數(shù)據(jù)記錄設備、智能樓宇控制器、安全設備(如入侵者探測器和網絡攝像頭)以及許多其他零售、企業(yè)和基礎設施應用。)。
其中許多設備都需要大量能源。小電池無法滿足的需求。它們可能具有強大的嵌入式處理器來在本地處理數(shù)據(jù),以減少網絡延遲、增加隱私或降低最終成本。它們可能包括一個機械子系統(tǒng),例如具有云臺變焦 (PTZ) 功能的攝像機,它可以輕松地將幾瓦特添加到總系統(tǒng)功率要求中。在這些應用中,小型電池根本無法滿足峰值系統(tǒng)功率需求,或者無法提供足夠的容量來提供所需的運行時間,從而導致定期更換。
可以考慮使用更大的電池,但這也會增加整體尺寸、重量和材料清單。如果可以的話,從附近的 AC 線路獲取電力將消除對電池的必要性,但這會引入額外的電源線以及設備內部的 AC-DC 電源轉換,從而產生額外的復雜性。雖然這種設計復雜性可以使用外部電源適配器來解決,但它不會解決額外的費用。
如果端點中包含有線 USB 或以太網連接,則設計人員可以利用它們各自的供電功能。以太網供電 (PoE) 和 USB 供電使用相同的電纜來供電和傳輸數(shù)據(jù),從而避免了與電池和交流電源相關的缺點。USB 電源和 PoE 符合既定標準,并且以低壓供電,使設備本質上安全,可供最終用戶操作。
USB 電源規(guī)格
一個普通的 USB 2.0 連接,包含兩條數(shù)據(jù)線(D+ 和 D-)、一個 5V 直流電源和接地,通常能夠提供高達 500mA 的電流。這足以為需要 2.5W 或更低功率的端點供電。USB 3.0 端口增加了這一點,可提供高達 900mA 的電流,而最新的 USB Type-C? 端口可配置為在 5V 時提供高達 1.5A 或 3.0A 的電流,從而將最大功率增加到 15W。
USB Power Delivery (USB PD) 是一個單獨的標準,它在 USB Type-C 連接器中使用數(shù)據(jù)線。這些允許兼容的設備與電源供應商協(xié)商,傳達他們需要多少電力。這可能是 9V 或 15V (3A) 或 5A 時的 20V,從而將 USB 連接的最大可用功率提高到 100W。
以太網供電類型
現(xiàn)有的以太網基礎設施可以支持在網絡上任何一點插入的物聯(lián)網端點,充當 PoE 受電設備 (PD),同時只需要最少的新接線(如果有的話)。電源設備 (PSE) 可以是一種設備,例如 PoE 交換機或集線器,旨在使用電纜中的一個或多個數(shù)據(jù)對供電。以太網標準中規(guī)定的最大數(shù)據(jù)傳輸距離為 100 米,但可以插入 PoE 擴展器以實現(xiàn)更長的連接。
還提供 PoE 注入器,旨在為來自非 PoE 交換機的電纜增加電力。相反,PoE 分路器將電源與以太網線路分開,為非 PoE 端點提供專用電源輸出。
目前有幾代 PoE 設備投入使用,如表 1 所示。第一代 1 型 PoE,定義為標準 IEEE 802.3af,支持由 PSE 提供的高達 15.4W 的功率預算。后來的 802.3at Type-2 標準 PoE+ 支持高達 30W 的功率,并且向后兼容 Type 1 PD。
最新的 802.3bt 標準包括 Type-3、PoE++(或 UPoE)設備,最大功率預算為 60W,以及 100W Type-4 設備。802.3af 和 802.3at 在 Cat 5/5e 電纜中最多使用兩對線,而 802.3bt 則需要 Cat 6(平衡)電纜并使用所有四對線。這種布置大大降低了電纜中的功率耗散,使更多的功率能夠到達 PD。此外,最低允許的 PD 待機功率已降低,從而提高了對低能耗設計的支持。
USB 或 PoE 端點設計
IEEE標準 | PoE 類型 | 端口供電 | 最大電流 |
802.3af | 類型 1 | 15.4W | 350毫安 |
802.3at | 類型 2 | 30W | 600毫安 |
802.3bt | 類型 3 | 60W | 600毫安 |
802.3bt | 類型 4 | 100W | 960毫安 |
表 1:PoE 標準。
傳統(tǒng)的 USB 2.0、USB 3.2 或 USB Type-C 端口可提供相對穩(wěn)定的 5V 直流電源,可直接從連接器中的專用電源線獲取。DC-DC 轉換器,例如 Diodes Incorporated AP61100 5V、1A 降壓轉換器,是穩(wěn)定通過 USB 電源運行的物聯(lián)網端點的這種電源的理想設備。
在 PoE 供電系統(tǒng)中,每對電纜都需要一個變壓器,以及一個橋式整流器、一個 PD 控制器和一個 DC-DC 轉換器來為負載供電。適用于 PoE 二次直流總線應用的 DC-DC 轉換器包括 Diodes 的 AP62200 (18V/2A) 和 AP63200 (32V/2A) 同步降壓轉換器。這些器件具有寬輸入電壓范圍,并具有低導通電阻的高側和低側 MOSFET,可最大限度地提高能源效率。AP62200 系列中的恒定導通時間 (COT) 控制和 AP63200 系列中具有集成補償環(huán)路的峰值電流模式控制提供了增強的性能,同時最大限度地減少了外部組件。
基本保護
USB 提供了有助于系統(tǒng)管理的復雜功能,例如確保每個設備僅使用其所需的電源。標準中定義的協(xié)商協(xié)議和功率配置文件支持電源和端點之間的通信,以優(yōu)化可用功率。
另一方面,在設備通電之前沒有握手或數(shù)據(jù)交換。雖然這有助于 USB 的經濟性和即插即用的簡單性,消除了對供電設備中輔助電源的任何要求,但可能存在故障風險。一個例子是,如果設備試圖要求過多的功率,或者如果它引入了短路。
設計人員可以通過使用電源開關(例如 Diodes AP22811、AP22804 或 AP22814)來防止這些情況。這些器件通過自動恢復實現(xiàn)過流、短路和過溫保護。還內置了對反向電流和電壓的保護。最大額定電流為 3A,最小導通電阻為 50mΩ,它們提供了一種強大而有效的 USB 端口保護方法?;蛘?,AP22652 或 AP22653 允許將電流限制調整到最大 2.1A,最大導通電阻為 65mΩ。另一種選擇是 AP22615(圖 2)或 AP22815,它們具有高達 28V 的過壓保護,并提供固定和可調限流選項。
圖 2. AP22615 為 USB 供電設備提供集成保護。[來源:二極管公司]
USB 開關還提供軟啟動功能,可控制輸出電壓上升時間以保護電源和負載。額外的安全功能可防止電流浪涌,以最大限度地減少錯誤故障情況。
更高功率的 PoE
在需要高功率的物聯(lián)網應用中,例如訪問控制或視頻設備,設計人員需要密切關注電源效率,以便在有限的空間和成本下提供最佳性能。在電力系統(tǒng)的每個階段選擇高效的設備并盡可能利用高密度和集成是很重要的。Diodes 的 ZXTR2000 系列線性穩(wěn)壓器(圖 3)專為 48V 直流電源系統(tǒng)而設計,包括 PoE 應用。這些穩(wěn)壓器將晶體管、齊納二極管和電阻器集成到單個封裝中,從而減少了元件數(shù)量和電路板空間要求。
圖 3. XTR200 系列為大功率 PoE 應用提供集成解決方案。[來源:二極管公司]
結論
物聯(lián)網端點的設計人員現(xiàn)在可以超越離線、無線電力傳輸和電池供電來滿足苛刻應用的需求。USB 和 PoE 等有線標準利用現(xiàn)成的 DC-DC 轉換器、穩(wěn)壓器和保護設備,提供了方便靈活的選項來克服電源挑戰(zhàn)。
審核編輯:湯梓紅
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