通过USB或PoE为物联网端点供电解决方案

作者：Benjamin Tang，Mingyu Qu

USB和以太网等有线数据连接还可以提供有效便捷的解决方案，以为当今最苛刻的IoT端点提供电源。

物联网终端通常被描述为具有极低功率的设备，它们的尺寸也很小，它们也可能是自供电的，或者被设计为可以使用纽扣电池运行很多年。实际上，物联网包括更多类型的设备，包括智能传感器，数据记录设备，智能建筑控制器，安全设备（例如入侵者检测器和网络摄像机）以及许多其他零售，企业和基础设施应用（图1）。

图1.物联网应用正在扩展，以涵盖需要更多电池的设备。[资料来源：Diodes Incorporated]

这些设备中的许多设备都具有巨大的能源需求。小型电池无法满足的需求。它们可能具有功能强大的嵌入式处理器来本地处理数据，以减少网络延迟，增加隐私或仅降低最终成本。它们可能包括一个机械子系统，例如具有云台变焦（PTZ）功能的摄像机，该子系统可以轻松地为系统总功率需求增加几瓦。在这些应用中，小的电池将无法满足系统的峰值功率需求，或者无法提供足够的容量来交付所需的运行时间，从而导致定期更换。

可以考虑使用更大的电池，但这也会增加整体尺寸，重量和材料清单。从附近的交流电源线（如果可用）取电将消除电池的必要性，但这会引入额外的电源线以及设备内部的AC-DC电源转换，从而增加了额外的复杂性。虽然可以使用外部电源适配器解决这种设计复杂性，但它不会解决额外的费用。

如果端点中包括有线USB或以太网连接，则设计人员可以利用其各自的电源传输功能。以太网供电（PoE）和USB供电使用同一根电缆来供电和传输数据，从而避免了与电池和交流电源有关的弊端。USB电源和PoE符合既定标准，并且电源以低压供电，从而使设备本质上安全，可供最终用户使用。

USB电源规格

普通的USB 2.0连接包含两条数据线（D +和D-），5V DC电源和地，通常能够提供高达500mA的电流。这足以为需要2.5W或更低功率的端点供电。USB 3.0端口可增加此电流，提供高达900mA的电流，而最新的USBType-C®端口可配置为在5V电压下提供高达1.5A或3.0A的电流，从而将最大功率提高至15W。

USB Power Delivery（USB PD）是使用USB Type-C连接器中的数据线的独立标准。这些使兼容的设备可以与电源供应商协商，交流所需的电量。这可能是9V或15V（3A）或5A时为20V，从而将USB连接的最大可用功率提高到100W。

以太网供电类型

现有的以太网基础架构可以支持在网络上任何位置插入的IoT端点，充当PoE受电设备（PD），而仅需最少的新布线（如果有）。供电设备（PSE）可以是诸如PoE交换机或集线器之类的设备，设计为使用电缆中的一个或多个数据对供电。以太网标准中指定的最大数据传输距离为100米，但可以插入PoE扩展器以实现更长的连接。

还可提供PoE注入器，该注入器旨在为来自非PoE交换机的电缆增加功率。相反，PoE分离器将电源与以太网线路分开，以为非PoE端点提供专用的电源输出。

当前正在使用几代PoE设备，总结在表1中。第一代类型1 PoE（定义为标准IEEE 802.3af）支持PSE提供的高达15.4W的功率预算。后来的802.3at Type-2标准PoE +支持高达30W的功率，并与Type 1 PD向后兼容。

最新的802.3bt标准包括最大功率预算为60W的Type-3，PoE ++（或UPoE）设备以及100W Type-4设备。802.3af和802.3at在Cat 5 / 5e电缆中最多使用两对电线，而802.3bt需要Cat 6（平衡）电缆，并使用所有四对电线。这种布置大大降低了电缆中的功耗，从而使更多的功率可以到达PD。此外，最低的PD待机功耗已降低，从而改善了对低能耗设计的支持。

IEEE标准	PoE类型	电源到端口	最大电流
802.3af	类型1	15.4瓦	350毫安
802.3at	2型	30瓦	600毫安
802.3bt	类型3	60瓦	600毫安
802.3bt	类型4	100瓦	960毫安

表1：PoE标准。

USB或PoE的端点设计

常规的USB 2.0，USB 3.2或USB Type-C端口可提供相对稳定的5V DC电源，可直接从连接器中的专用电源线获取电源。DC-DC转换器，例如Diodes Incorporated AP61100 5V，1A降压转换器，是为通过USB电源运行的IoT端点稳定此电源的理想设备。

在PoE供电系统中，每对电缆都需要一个变压器，以及一个桥式整流器，一个PD控制器和一个DC-DC转换器来为负载供电。适用于PoE次级DC总线应用的DC-DC转换器包括Diodes的AP62200（18V / 2A）和AP63200（32V / 2A）同步降压转换器。它们具有宽的输入电压范围，并具有低导通电阻的高端和低端MOSFET，可最大程度地提高能效。AP62200系列中的恒定导通时间（COT）控制和AP63200系列中具有集成补偿环路的峰值电流模式控制可提供增强的性能，同时最大限度地减少了外部组件。

基本保护

USB提供有助于系统管理的复杂功能，例如确保每个设备仅使用其所需的电源。标准中定义的协商协议和电源配置文件使电源和端点之间能够进行通信以优化可用电源。

另一方面，在设备通电之前没有握手或数据交换。尽管这有助于提高USB的经济性和即插即用的简便性，消除了对设备供电中对辅助电源的任何要求，但仍存在发生故障的风险。一个示例是设备是否试图要求过多的功率，或者是否引入了短路。

设计人员可以使用电源开关（例如，二极管AP22811，AP22804或AP22814）来防止这些情况的发生。这些器件可实现自动恢复的过电流，短路和过热保护。还内置了针对反向电流和电压的保护。它们的最大额定电流为3A，最小导通电阻为50mΩ，它们提供了一种保护USB端口的强大而有效的方法。另外，AP22652或AP22653允许将电流限制调整到最大2.1A，并具有65mΩ的最大导通电阻。另一个选择是AP22615（图2）或AP22815，它们具有高达28V的过压保护功能，并提供固定和可调限流选项。

图2. AP22615为USB供电的设备提供集成保护。[资料来源：Diodes Incorporated]

USB开关还提供软启动功能，该功能控制输出电压的上升时间，以保护电源和负载。附加的安全功能可防止电流浪涌，从而最大程度地减少错误故障条件。

高功率PoE

在需要高功率的物联网应用中，例如访问控制或视频设备，设计人员需要关注功率效率，以在有限的空间和成本下提供最佳性能。重要的是在电源系统的每个阶段选择高效的设备，并在可能的情况下利用高密度和集成的优势。Diodes的ZXTR2000线性稳压器系列（图3）设计用于48V直流电源系统，包括PoE应用。这些稳压器将晶体管，齐纳二极管和电阻器集成到一个封装中，从而减少了元件数量和电路板空间要求。

图3. XTR200系列为大功率PoE应用提供了一个集成解决方案。[资料来源：Diodes Incorporated]

结论

物联网端点的设计人员现在可以考虑脱机，无线电源传输和电池电源，以满足苛刻的应用程序的需求。USB和PoE等有线标准利用现成的DC-DC转换器，稳压器和保护设备，提供了方便灵活的选项来克服电源挑战。

编辑：hfy