PoE智能照明解決方案

所謂智能照明，從本質(zhì)上講，就是對人們開關(guān)電燈的方式進行的一次革命，將傳統(tǒng)上由人完成的開關(guān)操作變成了一個自動化的過程，讓照明系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件自行開關(guān)或調(diào)節(jié)明暗，甚至是引入人工智能(AI)，讓照明系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)洞察進行更智能地自我調(diào)控，盡可能地實現(xiàn)按需照明的理想狀態(tài)，達成節(jié)能增效的終極目標。

圖：全球智能照明和聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的銷售額預(yù)計將從2018年的100億美元增長到2023年的210億美元(資料來源：Omdia)

從上面的定義不難看出，構(gòu)建智能照明系統(tǒng)，有兩個核心的要素：一個是電能的傳輸，一個是數(shù)據(jù)的傳輸——前者要確保盡可能高效地利用電能，驅(qū)動LED照明燈具;后者則是要建立通暢的關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳和控制指令下達通路，以形成一個完整的自動化控制閉環(huán)。

按照這樣的構(gòu)想，一種典型的智能照明系統(tǒng)的設(shè)計思路是：利用市電網(wǎng)絡(luò)進行電力傳輸為LED燈具供電，同時通過無線通信網(wǎng)絡(luò)建立起數(shù)據(jù)通道，這樣就能夠快速對每一個照明節(jié)點進行智能化改造。

但是這種方案并非在任何場景下都適用——比如在無線通信受限的情況下就無法使用;再有如果節(jié)點數(shù)量多、覆蓋范圍廣，也會給無線互連網(wǎng)絡(luò)的部署帶來挑戰(zhàn)。在這樣的情況下，PoE(以太網(wǎng)供電)照明就成了實現(xiàn)智能照明一種不可或缺的技術(shù)路徑。

不斷發(fā)展的PoE標準

大家對于PoE技術(shù)并不陌生，簡而言之，這就是一種通過一條以太網(wǎng)電纜(通常為Cat5e)同時實現(xiàn)電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。開發(fā)PoE這樣一種技術(shù)的初衷，就是為了讓低功耗的外設(shè)能夠從中央集線器獲得電力而無需額外的電源布線，這樣就可以規(guī)避在建筑物內(nèi)運行主電源涉及的復(fù)雜性、成本和合規(guī)性等問題。

首個PoE標準(IEEE 802.3af)是在2003年推出的，其目的是為IP電話、接入點和傳感器等設(shè)備提供15.4W的功率，而實際上由于電纜損耗，每個外設(shè)的可用功率僅有13.0W左右。隨著PoE應(yīng)用的發(fā)展，這樣的功率水平顯然是偏保守了。

于是在2009年，PoE標準的第二個版本IEEE 802.3at發(fā)布(也被稱為PoE+)，其在供電設(shè)備端能夠輸出30W的電力，受電設(shè)備可以輸入的電力也增加到了25W，這就可以支持為更復(fù)雜的設(shè)備供電，并為平板電腦等小型設(shè)備充電了。

2018年，PoE標準又迎來了新一次的升級，新的IEEE 802.3bt標準分為Type 3(PoE++ / UPoE)和Type 4(High-Power PoE，高功率PoE)兩類，前者在供電端口可提供高達60W的功率，后者提供的功率則可以達到90W以上。

表：PoE標準及特性

(資料來源：安森美)

這樣的功率傳輸能力，顯然可以讓PoE延伸到更多的應(yīng)用場景中，智能照明自然是其中重要的一個領(lǐng)域。

圖：全球PoE設(shè)備的部署情況，照明領(lǐng)域增勢明顯

(圖源：安森美)

PoE智能照明的優(yōu)勢

基于PoE的照明系統(tǒng)，能夠提供的優(yōu)勢顯而易見。

高效率

PoE使用以太網(wǎng)絡(luò)通過一條電纜同時傳輸數(shù)據(jù)和直流電源，也就意味著無需進行交流到直流的電源轉(zhuǎn)換，這無疑有利于提高電源系統(tǒng)整體的效率。

低成本

由于具有低電壓和即插即用的特性，PoE安裝和維護成本通常比傳統(tǒng)照明系統(tǒng)要低。比如PoE減少了對更粗、更重銅質(zhì)電纜的需求，也無需專門的穿墻打洞去布設(shè)電源網(wǎng)絡(luò)，可以大大減少材料和安裝部署成本。有測算表明，PoE照明系統(tǒng)與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，可以為令用戶節(jié)省25%到30%的費用。

更安全

因為PoE總線電壓在大多數(shù)場景中都可以保持在60V直流安全電壓閾值以下，因此避免了交流電源高電壓的危險性(如觸電和火災(zāi))，使用起來也更為安全。

易擴展

由于可以基于以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，PoE照明系統(tǒng)的控制端可通過本地網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)置，足夠高的功率也能夠支持在照明燈具節(jié)點端添加更多的傳感模塊，感知環(huán)境光、房間占用情況等與照明控制相關(guān)的信息，也可以整合溫度、濕度和空氣質(zhì)量等傳感器，為整個家居或建筑的數(shù)據(jù)洞察提供便利。

支持VLC

基于PoE照明系統(tǒng)，還可以延展出一個極具前景的應(yīng)用——可見光通信(VLC)和定位。顧名思義，VLC就是一種以可見光為媒介傳輸數(shù)據(jù)流的技術(shù)，對于那些對射頻無線干擾特別敏感的區(qū)域(如醫(yī)院或飛機上)，VLC在實現(xiàn)無線通信方面具有特殊的價值。在VLC基礎(chǔ)上還可以發(fā)展出室內(nèi)定位應(yīng)用——每個燈具都有自己獨特的代碼，通過以人眼無法察覺的頻率調(diào)制光線來廣播，由此智能手機或其他配備有攝像頭和相關(guān)應(yīng)用程序的設(shè)備能夠?qū)θ齻€或更多燈具的距離進行三角測量，并計算出位置，這種定位精度能夠小于30厘米，可以應(yīng)用在自動導(dǎo)引車輛(AGV)中，以及為人們在機場、體育場館或醫(yī)院等大型建筑中提供室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，情景可期。

由此看來，基于PoE的照明系統(tǒng)能夠為人們帶來的，不僅是成本的降低、使用的便利，還有全新的應(yīng)用和商機，因此在這個領(lǐng)域長期、持續(xù)地投入肯定是值得的。

PoE智能照明解決方案

有了這樣的認知，那么接下來的問題就是：我們應(yīng)該如何快速地構(gòu)建起一個PoE智能照明系統(tǒng)。

從上文的介紹中，我們不難看出，一個PoE智能照明系統(tǒng)中，有兩個核心的要素：

● PoE接口控制器：PoE系統(tǒng)中，電力的傳輸通過供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)之間的握手協(xié)議來管理——PSE會檢測PD是否支持PoE及其設(shè)備類型、所屬的功率等級，并根據(jù)這些信息為PD提供所需的電力。而PoE協(xié)議管理中檢測、分級、供電和維護的全過程，需要一顆專門的PD控制器芯片來完成，以確保整個PoE系統(tǒng)按照相應(yīng)的標準規(guī)范來行事。

● LED驅(qū)動和電源管理：PoE照明系統(tǒng)中，PD控制器在“前端”管理來自以太網(wǎng)的電能，在“后端”則需要有配套的電源管理器件將這些電能高效地利用起來。而且考慮到照明節(jié)點功能的擴展性，這些電源管理器件不僅要有高效的LED燈具驅(qū)動功能，還要有能力為更多的傳感器和創(chuàng)新應(yīng)用(如VLC)提供電源。

安森美(onsemi)一直是PoE技術(shù)和智能照明的積極推動者，對于二者結(jié)合而成的PoE智能照明解決方案，自然也是頗有心得。

圖中，展示了一個完整PoE照明系統(tǒng)的架構(gòu)，針對其中占據(jù)C位的PD接口控制器和LED驅(qū)動器兩顆芯片，安森美就一直緊隨標準演進的步伐和市場需求的變化，迭代出新。我們今天就來介紹一下圖3中推薦的兩款芯片。

圖：基于PoE的智能照明系統(tǒng)

(圖源：安森美)

NCP1095和NCP1096大功率PoE-PD控制器

NCP1095和NCP1096是安森美專為滿足新的IEEE 802.3bt PoE標準要求而開發(fā)的以太網(wǎng)供電受電設(shè)備(PoE-PD)接口控制器(同時也兼容802.3af和802.3at標準)，分配功率高達90W，還可以支持專有的100W+應(yīng)用。

這兩款PoE-PD控制器還支持IEEE 802.3bt新增的Autoclass能量管理特性，讓PD能夠?qū)⑵涮囟ǖ墓β市枨髠鬟f給PSE，以實現(xiàn)PoE系統(tǒng)更精準的控制，而且支持在浪涌階段進行檢測、分類和電流限制。器件中的電源良好引腳可確保正確關(guān)閉和打開相鄰的主DC-DC轉(zhuǎn)換器;分類結(jié)果引腳支持根據(jù)分配的功率等級進行操作(最高為8級)。

與NCP1095相比，NCP1096還具有集成的N溝道MOSFET負載開關(guān)，連接輔助電源時，有源電橋和熱插拔FET功能禁用，從而可以提高輔助電源為PD供電時的能效。

圖：NCP1096 PoE-PD控制器框圖

(圖源：安森美)

總之，采用NCP1095和NCP1096，開發(fā)者可以保證PoE設(shè)備之間的互操作性，實現(xiàn)IEEE 802.3bt標準所定義的所有性能和功能，極大地兌現(xiàn)PoE標準的價值承諾。

圖：NCP1095和NCP1096 PoE-PD控制器專為支持802.3bt PoE標準而設(shè)計(圖源：安森美)

NCL31000和NCL31001 LED驅(qū)動器

NCL31000是安森美新近推出的一款智能LED驅(qū)動器，其核心是一個高能效(97%)降壓LED驅(qū)動器，可以支持高帶寬模擬調(diào)光和低至零電流的PWM調(diào)光，具有0.1%的調(diào)光精度。

該驅(qū)動器還集成了兩個DC-DC轉(zhuǎn)換器——一個固定的3.3V DC-DC轉(zhuǎn)換器和一個可調(diào)節(jié)的2.5V至24.0V DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，可用于為傳感器和MCU等系統(tǒng)組件供電，這種將電源管理方案集成到LED驅(qū)動器中的設(shè)計，極大地簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，同時有利于能效的提高。

NCL31000還提供全面的診斷功能，診斷模塊包含一個ADC，用于測量輸入和LED輸出電流、電壓、LED溫度、DC-DC電壓和電流，以及任何異常情況，并通過I2C/SPI接口提供給系統(tǒng)MCU。此外，NCL31000的架構(gòu)還確保了其具有出色的抗電磁干擾(EMI)特性，在測試中，它的表現(xiàn)比CISPR15/EN55015的要求低14dB以上。

圖：NCL31000 LED驅(qū)動器系統(tǒng)框圖

(圖源：安森美)

NCL31001作為NCL31000的配套驅(qū)動器，其可提供與NCL31000相同的LED驅(qū)動特性，但不包括DC-DC轉(zhuǎn)換器。通過添加NCL31001，開發(fā)者可以很方便地創(chuàng)建一個面向多通道照明應(yīng)用的方案，支持動態(tài)可調(diào)燈具以及多種顏色混合照明應(yīng)用。

特別值得一提的是，NCL31000和NCL31001的0.1%調(diào)光精度和高線性度，使其非常適合于VLC應(yīng)用，包括VLC室內(nèi)定位應(yīng)用，這也就為PoE智能照明系統(tǒng)向新領(lǐng)域的挺進鋪平了道路。

NCL31010 PoE接口LED驅(qū)動器

特別值得一提的是，在上述PoE接口控制器和LED驅(qū)動器芯片基礎(chǔ)上，安森美又更進一步將兩個功能二合一，推出了全新的NCL31010 PoE接口LED驅(qū)動器。

顧名思義，NCL31010是一個高度集成的解決方案，它集成了802.3bt PoE-PD接口控制器、用作LED驅(qū)動器的電流模式降壓DC-DC控制器，以及用于主3.3V系統(tǒng)電源的同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器及輔助電源。

圖：NCL31010 PoE接口LED驅(qū)動器框圖

(圖源：安森美)

該器件符合802.3bt PoE標準，支持高達90W的大功率應(yīng)用，并具有在浪涌階段進行檢測、分類和電流限制等PoE系統(tǒng)所需的功能，并能夠支持PWM調(diào)光和高帶寬模擬調(diào)光?？梢哉f，只需NCL31010一顆芯，就能夠?qū)崿F(xiàn)PoE廣泛的應(yīng)用開發(fā)需求。找元件現(xiàn)貨上唯樣商城

圖：NCL31010 PoE接口LED驅(qū)動器典型應(yīng)用圖(圖源：安森美)

本文小結(jié)

電燈可以說是伴隨著人類走入電氣化時代的第一個“電器”，由此可見照明是人們生活中必不可少的剛需品之一。因此，當我們步入智能化時代時，對于照明系統(tǒng)進行智能化的升級，也是首當其中的一環(huán)。

PoE以太網(wǎng)供電與LED節(jié)能型照明的結(jié)合，為智能照明系統(tǒng)的構(gòu)架提供了一種高效、靈活、可靠、可擴展的技術(shù)路徑，并由此將智能照明的燈具打造成一個復(fù)合功能的物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點。

安森美為PoE智能照明提供的關(guān)鍵器件，以及完整的解決方案，可以讓PoE智能照明系統(tǒng)的研發(fā)和部署更輕松，也讓你能夠緊隨新標準和新應(yīng)用的步伐，盡享PoE智能照明的紅利。

審核編輯：湯梓紅