Использование проводных соединений для передачи данных для питания требовательных устройств IoT

Проводные соединения для передачи данных, такие как USB и Ethernet, также могут стать эффективным и удобным решением для обеспечения электропитания самых требовательных современных конечных точек Интернета вещей.

Конечные точки IoT обычно характеризуются как устройства с чрезвычайно низким энергопотреблением, которые также имеют небольшой размер, и они также могут быть автономными или рассчитаны на работу от плоской батареи в течение многих лет. На самом деле Интернет вещей включает в себя большее разнообразие типов устройств, включая интеллектуальные датчики, устройства регистрации данных, контроллеры интеллектуальных зданий, устройства безопасности (например, детекторы вторжений и сетевые камеры) и многие другие приложения для розничной торговли, предприятия и инфраструктуры ( Рисунок 1).

Рис. 1. Приложения Интернета вещей расширяются и включают устройства, которым требуется больше, чем могут предоставить батареи меньшего размера. [Источник:Diodes Incorporated]

Многие из этих устройств требуют значительного количества энергии; потребности, которые не могут быть удовлетворены с помощью небольшой батареи. Они могут иметь мощный встроенный процессор для локальной обработки данных, чтобы уменьшить задержку в сети, повысить конфиденциальность или просто снизить конечные затраты. Они могут включать в себя механическую подсистему, такую ​​как камера с возможностью панорамирования, наклона и масштабирования (PTZ), которая может легко добавить несколько ватт к общей потребляемой системе мощности. В этих приложениях небольшая батарея просто не сможет удовлетворить пиковую потребляемую мощность системы или будет иметь недостаточную емкость для обеспечения желаемого времени работы, что приведет к периодической замене.

Можно подумать о более крупной батарее, но это также увеличит общий размер, вес и перечень материалов. Питание от ближайшей линии переменного тока, если таковая имеется, устранит необходимость в батарее, но это вводит дополнительный кабель питания вместе с преобразователем мощности переменного тока в постоянный внутри устройства, что создает дополнительную сложность. Хотя эту сложность конструкции можно решить с помощью внешнего адаптера питания, это не повлияет на дополнительные расходы.

Если в конечную точку включено проводное соединение USB или Ethernet, разработчик может воспользоваться их соответствующими функциями подачи питания. Power over Ethernet (PoE) и USB-питание используют один и тот же кабель для питания и передачи данных, что позволяет избежать недостатков, связанных как с батареями, так и с питанием от переменного тока. Питание USB и PoE регулируются установленными стандартами, а питание подается при низком напряжении, что делает оборудование искробезопасным для конечного пользователя.

Характеристики питания USB

Обычное соединение USB 2.0, которое содержит две линии передачи данных (D + и D-), источник постоянного тока 5 В и землю, обычно может обеспечивать ток до 500 мА. Этого достаточно для питания конечной точки, требующей 2,5 Вт или меньше. Порт USB 3.0 увеличивает это значение, обеспечивая до 900 мА, в то время как последний порт USB Type-C® можно настроить для подачи до 1,5 А или 3,0 А при 5 В, увеличивая максимальную мощность до 15 Вт.

USB Power Delivery (USB PD) - это отдельный стандарт, который использует линии передачи данных в разъеме USB Type-C. Это позволяет совместимым устройствам вести переговоры с поставщиком электроэнергии, сообщая, сколько энергии им требуется. Это может быть 9 В или 15 В (3 А) или 20 В при 5 А, что увеличивает максимальную мощность, доступную через USB-соединение, до 100 Вт.

Типы питания через Ethernet

Существующая инфраструктура Ethernet может поддерживать конечную точку IoT, подключенную к любой точке сети, функционируя как устройство с питанием от PoE (PD), при этом требуя только минимальную новую проводку, если таковая имеется. Оборудование источника питания (PSE) может быть устройством, например коммутатором или концентратором PoE, предназначенным для подачи питания с использованием одной или нескольких пар данных в кабеле. Максимальное расстояние передачи данных, указанное в стандарте Ethernet, составляет 100 метров, но можно добавить расширитель PoE, чтобы обеспечить более длинные соединения.

Также доступны инжекторы PoE, которые предназначены для добавления мощности к кабелям, идущим от коммутатора без PoE. И наоборот, разветвители PoE отделяют питание от линий Ethernet, чтобы обеспечить выделенную выходную мощность для конечной точки без PoE.

В настоящее время в эксплуатации находится несколько поколений оборудования PoE, краткое изложение которого приведено в таблице 1. Первое поколение PoE типа 1, определенное как стандарт IEEE 802.3af, поддерживает запас мощности до 15,4 Вт, обеспечиваемый PSE. Более поздний стандарт 802.3at Type-2, PoE +, поддерживает до 30 Вт и обратно совместим с PD типа 1.

Последний стандарт 802.3bt охватывает оборудование типа 3, PoE ++ (или UPoE) с максимальным бюджетом мощности 60 Вт, а также оборудование типа 4 мощностью 100 Вт. В то время как 802.3af и 802.3at используют максимум две пары проводов в кабеле Cat 5 / 5e, 802.3bt требует использования кабеля Cat 6 (симметричный) и использует все четыре пары проводов. Такая компоновка значительно снижает мощность, рассеиваемую в кабеле, позволяя увеличить мощность, передаваемую на PD. Кроме того, была снижена минимально допустимая резервная мощность PD, что улучшило поддержку проектов с низким энергопотреблением.

Дизайн конечных точек для USB или PoE

Стандарт IEEE Тип PoE Питание на порт Максимальный ток 802.3afType 115.4W350mA802.3atType 230W600mA802.3btType 360W600mA802.3btType 4100W960mA

Таблица 1. Стандарты PoE.

Обычный порт USB 2.0, USB 3.2 или USB Type-C обеспечивает относительно стабильное питание 5 В постоянного тока, которое может подаваться непосредственно от выделенных линий питания в разъеме. Преобразователь постоянного тока в постоянный, такой как понижающий преобразователь Diodes Incorporated AP61100 5 В, 1 А, является идеальным устройством для стабилизации этой мощности для конечных точек Интернета вещей, работающих от источника питания USB.

В системе с питанием от PoE для каждой пары кабелей требуется трансформатор, а также мостовой выпрямитель, контроллер частичного разряда и преобразователь постоянного тока в постоянный для питания нагрузки. Подходящие преобразователи постоянного тока в постоянный для вторичной шины постоянного тока PoE включают синхронные понижающие преобразователи Diodes AP62200 (18 В / 2 А) и AP63200 (32 В / 2 А). Они имеют широкий диапазон входного напряжения и оснащены полевыми МОП-транзисторами со стороны высокого и низкого уровня с низким сопротивлением в открытом состоянии для максимальной энергоэффективности. Постоянное время включения (COT) в серии AP62200 и управление режимом пикового тока со встроенным контуром компенсации в серии AP63200 обеспечивают повышенную производительность при минимальном количестве внешних компонентов.

Основная защита

USB предоставляет сложные функции, которые помогают в управлении системой, такие как обеспечение того, чтобы каждое устройство потребляло только ту мощность, которая ему необходима. Протоколы согласования и профили мощности, определенные в стандарте, позволяют осуществлять обмен данными между источниками питания и конечными точками для оптимизации доступной мощности.

С другой стороны, перед подачей питания на устройство отсутствует квитирование или обмен данными. Хотя это способствует экономии и простоте подключения к USB, устраняя необходимость в дополнительном источнике питания в устройстве, на которое подается питание, может возникнуть риск неисправности. Один из примеров:устройство пытается потреблять слишком много энергии или вызывает короткое замыкание.

Разработчики могут защититься от таких ситуаций, используя выключатель питания, такой как диоды AP22811, AP22804 или AP22814. В этих устройствах реализована защита от перегрузки по току, короткого замыкания и перегрева с автоматическим восстановлением. Также встроена защита от обратного тока и напряжения. Имея максимальный номинальный ток 3 А и минимальное сопротивление в открытом состоянии 50 мОм, они обеспечивают надежное и эффективное средство защиты портов USB. В качестве альтернативы AP22652 или AP22653 позволяет регулировать ограничение тока до максимального значения 2,1 А и имеет максимальное сопротивление в открытом состоянии 65 мОм. Другой вариант - AP22615 (рис. 2) или AP22815, которые имеют защиту от перенапряжения до 28 В и предоставляют как фиксированные, так и регулируемые параметры ограничения тока.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 2. AP22615 обеспечивает интегрированную защиту устройств с питанием от USB. [Источник:Diodes Incorporated]

Переключатели USB также обеспечивают функцию плавного пуска, которая контролирует время нарастания выходного напряжения для защиты как источника, так и нагрузки. Дополнительная функция безопасности защищает от скачков тока, чтобы свести к минимуму ложные неисправности.

PoE повышенной мощности

В приложениях Интернета вещей, требующих высокой мощности, таких как устройства контроля доступа или видеоустройства, разработчикам необходимо следить за энергоэффективностью, чтобы обеспечить оптимальную производительность при ограниченном пространстве и ограниченных затратах. Важно выбирать эффективные устройства на каждом этапе энергосистемы и по возможности использовать преимущества высокой плотности и интеграции. Семейство линейных регуляторов Diodes ZXTR2000 (рис. 3) разработано для систем питания 48 В постоянного тока, включая приложения PoE. Эти регуляторы объединяют транзистор, стабилитрон и резистор в одном корпусе, что снижает количество компонентов и требования к пространству на плате.

Рис. 3. Семейство XTR200 представляет собой интегрированное решение для приложений с мощным PoE. [Источник:Diodes Incorporated]

Заключение

Разработчики оконечных устройств IoT теперь могут думать не только об автономном режиме, беспроводной передаче энергии и питании от батарей, чтобы удовлетворить потребности требовательных приложений. Стандарты проводной связи, такие как USB и PoE, предлагают удобные и гибкие варианты решения проблем с электропитанием, используя стандартные преобразователи постоянного тока в постоянный, регуляторы и защитные устройства.

>> Эта статья была первоначально опубликована на наш дочерний сайт Power Electronics News.