通過 USB 或 PoE 為 IoT 端點(diǎn)供電可以提供更大的便利性和經(jīng)濟(jì)性

USB和以太網(wǎng)等有線數(shù)據(jù)連接也可以提供有效且方便的解決方案，為當(dāng)今要求最嚴(yán)苛的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)供電。

物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)通常具有極低功耗的特點(diǎn)，而且尺寸也很小，它們也可能是自供電的或設(shè)計(jì)為從紐扣電池運(yùn)行多年。實(shí)際上，物聯(lián)網(wǎng)包含更多樣化的設(shè)備類型，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（例如入侵探測器和網(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)用程序（圖1）。

圖 1. 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在擴(kuò)展，以涵蓋需要比小型電池所能提供的更多的設(shè)備。[來源：Diodes 公司]

許多這些設(shè)備都需要大量的能源；小電池?zé)o法滿足的需求。它們可能具有強(qiáng)大的嵌入式處理器來在本地處理數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)延遲、增加隱私或只是降低最終成本。它們可能包括一個(gè)機(jī)械子系統(tǒng)，例如具有平移-傾斜-變焦 (PTZ) 功能的攝像機(jī)，它可以輕松地將總系統(tǒng)功率要求增加幾瓦。在這些應(yīng)用中，小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(yùn)行時(shí)間，從而導(dǎo)致定期更換。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書

可以考慮使用更大的電池，但這也會(huì)增加整體尺寸、重量和材料清單。從附近的交流線路供電（如果可用）將消除對(duì)電池的需求，但這會(huì)引入額外的電源線以及設(shè)備內(nèi)部的 AC-DC 電源轉(zhuǎn)換，從而增加了復(fù)雜性。雖然可以使用外部電源適配器解決這種設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但不會(huì)解決額外的費(fèi)用。

如果端點(diǎn)中包含有線 USB 或以太網(wǎng)連接，設(shè)計(jì)人員可以利用它們各自的供電功能。以太網(wǎng)供電 (PoE)和 USB 供電使用相同的電纜供電和傳輸數(shù)據(jù)，因此避免了與電池和交流電源相關(guān)的缺點(diǎn)。USB 電源和 PoE 包含在既定標(biāo)準(zhǔn)中，并且以低電壓提供電源，使最終用戶操作設(shè)備具有本質(zhì)安全性。

USB 電源規(guī)格

包含兩條數(shù)據(jù)線（D+ 和 D-）、一個(gè) 5V 直流電源和接地的普通 USB 2.0 連接通常能夠提供高達(dá) 500mA 的電流。這足以為需要 2.5W 或更少功率的端點(diǎn)供電。USB 3.0 端口增加了這一點(diǎn)，可提供高達(dá) 900mA 的電流，而最新的 USB Type-C? 端口可配置為在 5V 時(shí)提供高達(dá) 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(gè)單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)，它在 USB Type-C 連接器中使用數(shù)據(jù)線。這些允許兼容設(shè)備與電源供應(yīng)商協(xié)商，傳達(dá)他們需要多少功率。這可能是 9V 或 15V (3A) 或 5A 時(shí)的 20V，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)設(shè)施可以支持在網(wǎng)絡(luò)上的任何點(diǎn)插入的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)，用作 PoE 供電設(shè)備 (PD)，同時(shí)只需要最少的新布線（如果有的話）。電源設(shè)備 (PSE) 可以是諸如 PoE 交換機(jī)或集線器之類的設(shè)備，旨在使用電纜中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)供電。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展器以實(shí)現(xiàn)更長的連接。

還提供 PoE 注入器，旨在為來自非 PoE 交換機(jī)的電纜供電。相反，PoE 分離器將電力與以太網(wǎng)線路分開，為非 PoE 端點(diǎn)提供專用的電力輸出。

目前有幾代 PoE 設(shè)備在使用，如表 1 所示。第一代 1 類 PoE，定義為標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3af，支持高達(dá) 15.4W 的功率預(yù)算，由 PSE 提供。后來的 802.3at Type-2 標(biāo)準(zhǔn) PoE+ 支持高達(dá) 30W 并且向后兼容 Type-1 PD。

最新的 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)包括 Type-3、PoE++（或 UPoE）設(shè)備，最大功率預(yù)算為 60W，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(duì)電線，而 802.3bt 要求使用 Cat 6（平衡）電纜并使用所有四對(duì)電線。這種安排大大降低了電纜中的功率消耗，從而使更多的功率能夠到達(dá) PD。此外，還降低了允許的最小 PD 待機(jī)功率，提高了對(duì)低能耗設(shè)計(jì)的支持。

表 1：PoE 標(biāo)準(zhǔn)。

USB 或 PoE 端點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的 USB 2.0、USB 3.2 或 USB Type-C 端口提供相對(duì)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(zhuǎn)換器（例如 Diodes Incorporated AP61100 5V、1A 降壓轉(zhuǎn)換器）是為通過 USB 電源運(yùn)行的 IoT 端點(diǎn)穩(wěn)定此電源的理想設(shè)備。

在 PoE 供電系統(tǒng)中，每對(duì)電纜都需要一個(gè)變壓器，以及一個(gè)橋式整流器、一個(gè) PD 控制器和一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器來為負(fù)載供電。適用于 PoE 二次直流總線應(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。它們具有寬輸入電壓范圍，并具有低導(dǎo)通電阻的高側(cè)和低側(cè) MOSFET，以最大限度地提高能效。AP62200 系列中的恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 控制和 AP63200 系列中具有集成補(bǔ)償回路的峰值電流模式控制提供了增強(qiáng)的性能，同時(shí)最大限度地減少了外部組件。

基本保護(hù)

USB 提供了有助于系統(tǒng)管理的復(fù)雜功能，例如確保每個(gè)設(shè)備只消耗其所需的電量。標(biāo)準(zhǔn)中定義的協(xié)商協(xié)議和功率配置文件支持電源和端點(diǎn)之間的通信，以優(yōu)化可用功率。

另一方面，在設(shè)備上電之前沒有握手或數(shù)據(jù)交換。雖然這有助于 USB 的經(jīng)濟(jì)性和即插即用的簡單性，消除了對(duì)被供電設(shè)備中的輔助電源的任何要求，但可能存在故障風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)例子是，如果設(shè)備試圖要求過多的功率或者它引入了短路。

設(shè)計(jì)人員可以通過使用電源開關(guān)（例如 Diodes AP22811、AP22804 或 AP22814）來防范這些情況。這些器件實(shí)現(xiàn)了具有自動(dòng)恢復(fù)功能的過流、短路和過溫保護(hù)。還內(nèi)置了反向電流和電壓保護(hù)。最大額定電流為 3A，最小導(dǎo)通電阻為 50mΩ，它們提供了一種強(qiáng)大而有效的保護(hù) USB 端口的方法。或者，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。另一種選擇是 AP22615（圖 2）或 AP22815，它們具有高達(dá) 28V 的過壓保護(hù)，并提供固定和可調(diào)電流限制選項(xiàng)。

圖 2. AP22615 為 USB 供電設(shè)備提供集成保護(hù)。[來源：Diodes 公司]

USB 開關(guān)還提供軟啟動(dòng)功能，可控制輸出電壓上升時(shí)間以保護(hù)電源和負(fù)載。額外的安全功能可防止電流浪涌，以最大限度地減少錯(cuò)誤故障情況。

更高功率的 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(jì)人員需要密切關(guān)注功率效率，以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(gè)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(shè)計(jì)，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單個(gè)封裝中，從而減少了組件數(shù)量和電路板空間要求。

圖 3. XTR200 系列為高功率 PoE 應(yīng)用提供集成解決方案。[來源：Diodes 公司]

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以超越離線、無線電力傳輸和電池供電，以滿足苛刻應(yīng)用的需求。USB 和 PoE 等有線標(biāo)準(zhǔn)提供方便靈活的選項(xiàng)來克服電源挑戰(zhàn)，利用現(xiàn)成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和保護(hù)設(shè)備。

審核編輯 黃昊宇