通過USB或PoE為物聯(lián)網(wǎng)端點供電解決方案

作者：Benjamin Tang，Mingyu Qu

USB和以太網(wǎng)等有線數(shù)據(jù)連接還可以提供有效便捷的解決方案，以為當(dāng)今最苛刻的IoT端點提供電源。

物聯(lián)網(wǎng)終端通常被描述為具有極低功率的設(shè)備，它們的尺寸也很小，它們也可能是自供電的，或者被設(shè)計為可以使用紐扣電池運行很多年。實際上，物聯(lián)網(wǎng)包括更多類型的設(shè)備，包括智能傳感器，數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，智能建筑控制器，安全設(shè)備（例如入侵者檢測器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）以及許多其他零售，企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用（圖1）。

圖1.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在擴(kuò)展，以涵蓋需要更多電池的設(shè)備。[資料來源：Diodes Incorporated]

這些設(shè)備中的許多設(shè)備都具有巨大的能源需求。小型電池?zé)o法滿足的需求。它們可能具有功能強(qiáng)大的嵌入式處理器來本地處理數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)延遲，增加隱私或僅降低最終成本。它們可能包括一個機(jī)械子系統(tǒng)，例如具有云臺變焦（PTZ）功能的攝像機(jī)，該子系統(tǒng)可以輕松地為系統(tǒng)總功率需求增加幾瓦。在這些應(yīng)用中，小的電池將無法滿足系統(tǒng)的峰值功率需求，或者無法提供足夠的容量來交付所需的運行時間，從而導(dǎo)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。從附近的交流電源線（如果可用）取電將消除電池的必要性，但這會引入額外的電源線以及設(shè)備內(nèi)部的AC-DC電源轉(zhuǎn)換，從而增加了額外的復(fù)雜性。雖然可以使用外部電源適配器解決這種設(shè)計復(fù)雜性，但它不會解決額外的費用。

如果端點中包括有線USB或以太網(wǎng)連接，則設(shè)計人員可以利用其各自的電源傳輸功能。以太網(wǎng)供電（PoE）和USB供電使用同一根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有關(guān)的弊端。USB電源和PoE符合既定標(biāo)準(zhǔn)，并且電源以低壓供電，從而使設(shè)備本質(zhì)上安全，可供最終用戶使用。

USB電源規(guī)格

普通的USB 2.0連接包含兩條數(shù)據(jù)線（D +和D-），5V DC電源和地，通常能夠提供高達(dá)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端口可增加此電流，提供高達(dá)900mA的電流，而最新的USBType-C?端口可配置為在5V電壓下提供高達(dá)1.5A或3.0A的電流，從而將最大功率提高至15W。

USB Power Delivery（USB PD）是使用USB Type-C連接器中的數(shù)據(jù)線的獨立標(biāo)準(zhǔn)。這些使兼容的設(shè)備可以與電源供應(yīng)商協(xié)商，交流所需的電量。這可能是9V或15V（3A）或5A時為20V，從而將USB連接的最大可用功率提高到100W。

以太網(wǎng)供電類型

現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)可以支持在網(wǎng)絡(luò)上任何位置插入的IoT端點，充當(dāng)PoE受電設(shè)備（PD），而僅需最少的新布線（如果有）。供電設(shè)備（PSE）可以是諸如PoE交換機(jī)或集線器之類的設(shè)備，設(shè)計為使用電纜中的一個或多個數(shù)據(jù)對供電。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中指定的最大數(shù)據(jù)傳輸距離為100米，但可以插入PoE擴(kuò)展器以實現(xiàn)更長的連接。

還可提供PoE注入器，該注入器旨在為來自非PoE交換機(jī)的電纜增加功率。相反，PoE分離器將電源與以太網(wǎng)線路分開，以為非PoE端點提供專用的電源輸出。

當(dāng)前正在使用幾代PoE設(shè)備，總結(jié)在表1中。第一代類型1 PoE（定義為標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3af）支持PSE提供的高達(dá)15.4W的功率預(yù)算。后來的802.3at Type-2標(biāo)準(zhǔn)PoE +支持高達(dá)30W的功率，并與Type 1 PD向后兼容。

最新的802.3bt標(biāo)準(zhǔn)包括最大功率預(yù)算為60W的Type-3，PoE ++（或UPoE）設(shè)備以及100W Type-4設(shè)備。802.3af和802.3at在Cat 5 / 5e電纜中最多使用兩對電線，而802.3bt需要Cat 6（平衡）電纜，并使用所有四對電線。這種布置大大降低了電纜中的功耗，從而使更多的功率可以到達(dá)PD。此外，最低的PD待機(jī)功耗已降低，從而改善了對低能耗設(shè)計的支持。

表1：PoE標(biāo)準(zhǔn)。

USB或PoE的端點設(shè)計

常規(guī)的USB 2.0，USB 3.2或USB Type-C端口可提供相對穩(wěn)定的5V DC電源，可直接從連接器中的專用電源線獲取電源。DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如Diodes Incorporated AP61100 5V，1A降壓轉(zhuǎn)換器，是為通過USB電源運行的IoT端點穩(wěn)定此電源的理想設(shè)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(zhuǎn)換器來為負(fù)載供電。適用于PoE次級DC總線應(yīng)用的DC-DC轉(zhuǎn)換器包括Diodes的AP62200（18V / 2A）和AP63200（32V / 2A）同步降壓轉(zhuǎn)換器。它們具有寬的輸入電壓范圍，并具有低導(dǎo)通電阻的高端和低端MOSFET，可最大程度地提高能效。AP62200系列中的恒定導(dǎo)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可提供增強(qiáng)的性能，同時最大限度地減少了外部組件。

基本保護(hù)

USB提供有助于系統(tǒng)管理的復(fù)雜功能，例如確保每個設(shè)備僅使用其所需的電源。標(biāo)準(zhǔn)中定義的協(xié)商協(xié)議和電源配置文件使電源和端點之間能夠進(jìn)行通信以優(yōu)化可用電源。

另一方面，在設(shè)備通電之前沒有握手或數(shù)據(jù)交換。盡管這有助于提高USB的經(jīng)濟(jì)性和即插即用的簡便性，消除了對設(shè)備供電中對輔助電源的任何要求，但仍存在發(fā)生故障的風(fēng)險。一個示例是設(shè)備是否試圖要求過多的功率，或者是否引入了短路。

設(shè)計人員可以使用電源開關(guān)（例如，二極管AP22811，AP22804或AP22814）來防止這些情況的發(fā)生。這些器件可實現(xiàn)自動恢復(fù)的過電流，短路和過熱保護(hù)。還內(nèi)置了針對反向電流和電壓的保護(hù)。它們的最大額定電流為3A，最小導(dǎo)通電阻為50mΩ，它們提供了一種保護(hù)USB端口的強(qiáng)大而有效的方法。另外，AP22652或AP22653允許將電流限制調(diào)整到最大2.1A，并具有65mΩ的最大導(dǎo)通電阻。另一個選擇是AP22615（圖2）或AP22815，它們具有高達(dá)28V的過壓保護(hù)功能，并提供固定和可調(diào)限流選項。

圖2. AP22615為USB供電的設(shè)備提供集成保護(hù)。[資料來源：Diodes Incorporated]

USB開關(guān)還提供軟啟動功能，該功能控制輸出電壓的上升時間，以保護(hù)電源和負(fù)載。附加的安全功能可防止電流浪涌，從而最大程度地減少錯誤故障條件。

高功率PoE

在需要高功率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，例如訪問控制或視頻設(shè)備，設(shè)計人員需要關(guān)注功率效率，以在有限的空間和成本下提供最佳性能。重要的是在電源系統(tǒng)的每個階段選擇高效的設(shè)備，并在可能的情況下利用高密度和集成的優(yōu)勢。Diodes的ZXTR2000線性穩(wěn)壓器系列（圖3）設(shè)計用于48V直流電源系統(tǒng)，包括PoE應(yīng)用。這些穩(wěn)壓器將晶體管，齊納二極管和電阻器集成到一個封裝中，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(yīng)用提供了一個集成解決方案。[資料來源：Diodes Incorporated]

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)端點的設(shè)計人員現(xiàn)在可以考慮脫機(jī)，無線電源傳輸和電池電源，以滿足苛刻的應(yīng)用程序的需求。USB和PoE等有線標(biāo)準(zhǔn)利用現(xiàn)成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，穩(wěn)壓器和保護(hù)設(shè)備，提供了方便靈活的選項來克服電源挑戰(zhàn)。

編輯：hfy