通過USB和以太網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)供電

USB 和以太網(wǎng)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(dāng)今最苛刻的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)供電。

物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的典型特征是功耗極低的設(shè)備，而且體積也很小，它們也可能是自供電的，或者設(shè)計為使用紐扣電池運(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、智能樓宇控制器、安全設(shè)備（如入侵者探測器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭）以及許多其他零售、企業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。）。

其中許多設(shè)備都需要大量能源。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)，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(yīng)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(yùn)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。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(shè)備內(nèi)部的 AC-DC 電源轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生額外的復(fù)雜性。雖然這種設(shè)計復(fù)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(fèi)用。

如果端點(diǎn)中包含有線 USB 或以太網(wǎng)連接，則設(shè)計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(guān)的缺點(diǎn)。USB 電源和 PoE 符合既定標(biāo)準(zhǔn)，并且以低壓供電，使設(shè)備本質(zhì)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(dá) 500mA 的電流。這足以為需要 2.5W 或更低功率的端點(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。這些允許兼容的設(shè)備與電源供應(yīng)商協(xié)商，傳達(dá)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(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)上任何一點(diǎn)插入的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)，充當(dāng) PoE 受電設(shè)備 (PD)，同時只需要最少的新接線（如果有的話）。電源設(shè)備 (PSE) 可以是一種設(shè)備，例如 PoE 交換機(jī)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(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)的電纜增加電力。相反，PoE 分路器將電源與以太網(wǎng)線路分開，為非 PoE 端點(diǎn)提供專用電源輸出。

目前有幾代 PoE 設(shè)備投入使用，如表 1 所示。第一代 1 型 PoE，定義為標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3af，支持由 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(dá) PD。此外，最低允許的 PD 待機(jī)功率已降低，從而提高了對低能耗設(shè)計的支持。

USB 或 PoE 端點(diǎn)設(shè)計

表 1：PoE 標(biāo)準(zhǔn)。

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(zhuǎn)換器，例如 Diodes Incorporated AP61100 5V、1A 降壓轉(zhuǎn)換器，是穩(wěn)定通過 USB 電源運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的這種電源的理想設(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 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。這些器件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，可最大限度地提高能源效率。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(bǔ)償環(huán)路的峰值電流模式控制提供了增強(qiáng)的性能，同時最大限度地減少了外部組件。

基本保護(hù)

USB 提供了有助于系統(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)備通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，消除了對供電設(shè)備中輔助電源的任何要求，但可能存在故障風(fēng)險。一個例子是，如果設(shè)備試圖要求過多的功率，或者如果它引入了短路。

設(shè)計人員可以通過使用電源開關(guān)（例如 Diodes AP22811、AP22804 或 AP22814）來防止這些情況。這些器件通過自動恢復(fù)實(shí)現(xiàn)過流、短路和過溫保護(hù)。還內(nèi)置了對反向電流和電壓的保護(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 USB 端口保護(hù)方法?；蛘撸珹P22652 或 AP22653 允許將電流限制調(diào)整到最大 2.1A，最大導(dǎo)通電阻為 65mΩ。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)限流選項(xiàng)。

圖 2. AP22615 為 USB 供電設(shè)備提供集成保護(hù)。[來源：二極管公司]

USB 開關(guān)還提供軟啟動功能，可控制輸出電壓上升時間以保護(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)計人員需要密切關(guān)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(shè)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(shè)計，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)用提供集成解決方案。[來源：二極管公司]

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的設(shè)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(yīng)用的需求。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(xiàng)來克服電源挑戰(zhàn)。

　　審核編輯：湯梓紅