Bekabelde dataverbindingen gebruiken om veeleisende IoT-apparaten van stroom te voorzien

Bekabelde dataverbindingen zoals USB en Ethernet kunnen ook een effectieve en handige oplossing bieden voor het leveren van stroom voor de meest veeleisende IoT-eindpunten van vandaag.

IoT-eindpunten worden doorgaans gekenmerkt als apparaten met een extreem laag vermogen die ook klein van formaat zijn, en ze kunnen ook zelfvoorzienend zijn of ontworpen zijn om jarenlang vanuit een knoopcel te werken. In werkelijkheid omvat het IoT een grotere diversiteit aan apparaattypen, waaronder slimme sensoren, apparaten voor gegevensregistratie, controllers voor slimme gebouwen, beveiligingsapparaten (zoals indringerdetectoren en netwerkcamera's) en vele andere detailhandel-, bedrijfs- en infrastructuurtoepassingen ( Afbeelding 1).

Figuur 1. IoT-toepassingen breiden zich uit en omvatten apparaten die meer nodig hebben dan kleinere batterijen kunnen leveren. [Bron:Diodes Incorporated]

Veel van deze apparaten hebben een aanzienlijke energiebehoefte; behoeften waaraan een kleine batterij niet kan voldoen. Ze kunnen een krachtige ingebouwde processor hebben om gegevens lokaal te verwerken om de netwerklatentie te verminderen, privacy toe te voegen of gewoon de eindkosten te verlagen. Ze kunnen een mechanisch subsysteem bevatten, zoals een camera met pan-tilt-zoom (PTZ)-mogelijkheid, die gemakkelijk enkele watts kan toevoegen aan de totale stroomvereisten van het systeem. In deze toepassingen zou een kleine batterij eenvoudigweg niet in staat zijn om aan de piekvraag van het systeem te voldoen, of onvoldoende capaciteit bieden om de gewenste looptijd te leveren, wat resulteert in periodieke vervanging.

Een grotere batterij zou kunnen worden overwogen, maar dat zou ook de totale omvang, het gewicht en de stuklijst vergroten. Door stroom te nemen van een nabijgelegen AC-lijn, indien beschikbaar, zou een batterij overbodig zijn, maar dit introduceert een extra voedingskabel samen met de AC-DC-stroomconversie in het apparaat, wat extra complexiteit creëert. Hoewel deze ontwerpcomplexiteit kan worden aangepakt met een externe voedingsadapter, zou dit de extra kosten niet wegnemen.

Als een bekabelde USB- of Ethernet-verbinding is opgenomen in het eindpunt, kan de ontwerper profiteren van hun respectievelijke stroomvoorzieningsfuncties. Power over Ethernet (PoE) en USB-stroomvoorziening gebruiken dezelfde kabel voor stroom en data, en vermijden zo de nadelen van zowel batterijen als wisselstroom. USB-stroom en PoE vallen onder gevestigde normen en de stroom wordt geleverd met lage spanningen, waardoor de apparatuur intrinsiek veilig is voor de eindgebruiker.

USB-stroomspecificaties

Een gewone USB 2.0-aansluiting, die twee datalijnen (D+ en D-), een 5V DC-voeding en aarde bevat, kan normaal gesproken tot 500mA leveren. Dit is voldoende om een ​​eindpunt van stroom te voorzien dat 2,5 W of minder nodig heeft. Een USB 3.0-poort verhoogt dit en levert tot 900 mA, terwijl de nieuwste USB Type-C®-poort kan worden geconfigureerd om tot 1,5 A of 3,0 A te leveren bij 5 V, waardoor het maximale vermogen wordt verhoogd tot 15 W.

USB Power Delivery (USB PD) is een aparte standaard die gebruikmaakt van datalijnen in de USB Type-C-connector. Hierdoor kunnen compatibele apparaten onderhandelen met de stroomleverancier en communiceren hoeveel stroom ze nodig hebben. Dit kan 9V of 15V (3A) of 20V bij 5A zijn, waardoor het maximale beschikbare vermogen van een USB-verbinding wordt verhoogd tot 100W.

Power over Ethernet-typen

Bestaande Ethernet-infrastructuur kan een IoT-eindpunt ondersteunen dat op elk punt in het netwerk is aangesloten en functioneert als een PoE-aangedreven apparaat (PD), terwijl er slechts minimale nieuwe bedrading nodig is, indien aanwezig. De stroomvoorzieningsapparatuur (PSE) kan een apparaat zijn zoals een PoE-switch of -hub die is ontworpen om stroom te leveren met behulp van een of meer van de dataparen in de kabel. De maximale datatransmissieafstand gespecificeerd in de Ethernet-standaard is 100 meter, maar er kan een PoE-extender worden geplaatst om langere verbindingen mogelijk te maken.

PoE-injectoren, die zijn ontworpen om stroom toe te voegen aan kabels die afkomstig zijn van een niet-PoE-switch, zijn ook beschikbaar. Omgekeerd scheiden PoE-splitters de stroom van de Ethernet-lijnen om een ​​speciale stroomuitgang te leveren voor een niet-PoE-eindpunt.

Er zijn momenteel verschillende generaties PoE-apparatuur in gebruik, samengevat in tabel 1. De eerste generatie, Type 1 PoE, gedefinieerd als de standaard IEEE 802.3af, ondersteunt een stroombudget van maximaal 15,4 W, geleverd door de PSE. De latere 802.3at Type-2-standaard, PoE+, ondersteunt tot 30 W en is achterwaarts compatibel met Type 1-PD's.

De nieuwste 802.3bt-standaard omvat Type-3, PoE++ (of UPoE)-apparatuur, met een maximaal stroombudget van 60W, evenals 100W Type-4-apparatuur. Terwijl 802.3af en 802.3at maximaal twee paar draden gebruiken in Cat 5/5e-kabel, vereist 802.3bt een Cat 6 (gebalanceerde) kabel en worden alle vier de paren draden gebruikt. Deze opstelling vermindert het vermogen dat in de kabel wordt gedissipeerd aanzienlijk, waardoor meer vermogen de PD kan bereiken. Bovendien is het minimaal toegestane PD-standbyvermogen verlaagd, waardoor de ondersteuning voor energiezuinige ontwerpen is verbeterd.

Endpoint-ontwerp voor USB of PoE

IEEE-standaard PoE-type Voeding naar poort Maximale stroom 802.3afType 115.4W350mA802.3atType 230W600mA802.3btType 360W600mA802.3btType 4100W960mA

Tabel 1:PoE-standaarden.

Een conventionele USB 2.0-, USB 3.2- of USB Type-C-poort biedt een relatief stabiele 5V DC-voeding die rechtstreeks kan worden afgenomen van speciale voedingskabels in de connector. Een DC-DC-converter, zoals de Diodes Incorporated AP61100 5V, 1A buck-converter, is een ideaal apparaat om dit vermogen te stabiliseren voor IoT-eindpunten die werken via een USB-voeding.

In een PoE-gevoed systeem is een transformator vereist voor elk kabelpaar, evenals een bruggelijkrichter, een PD-controller en een DC-DC-converter om de belasting van stroom te voorzien. Geschikte DC-DC-converters voor PoE secundaire DC-bustoepassingen zijn onder meer de synchrone buck-converters AP62200 (18V/2A) en AP63200 (32V/2A) van Diodes. Deze hebben een breed ingangsspanningsbereik en zijn voorzien van high-side en low-side MOSFET's met een lage aan-weerstand om de energie-efficiëntie te maximaliseren. Constant On-Time (COT)-regeling in de AP62200-serie en piekstroommodusregeling met geïntegreerde compensatielus in de AP63200-serie bieden verbeterde prestaties terwijl externe componenten worden geminimaliseerd.

Essentiële bescherming

USB biedt geavanceerde functies die helpen bij systeembeheer, zoals ervoor zorgen dat elk apparaat alleen de stroom verbruikt die het nodig heeft. Onderhandelingsprotocollen en stroomprofielen die binnen de standaard zijn gedefinieerd, maken communicatie tussen stroombronnen en eindpunten mogelijk om het beschikbare vermogen te optimaliseren.

Aan de andere kant is er geen handshake of gegevensuitwisseling voordat een apparaat van stroom wordt voorzien. Hoewel dit bijdraagt ​​aan de zuinigheid en plug-and-play-eenvoud van USB, waardoor er geen secundaire voedingsbron nodig is in het apparaat dat van stroom wordt voorzien, kan er een risico op fouten bestaan. Een voorbeeld is als een apparaat te veel stroom probeert te vragen of een kortsluiting veroorzaakt.

Ontwerpers kunnen zich tegen deze situaties beschermen door een aan/uit-schakelaar te gebruiken, zoals een Diodes AP22811, AP22804 of AP22814. Deze apparaten implementeren overstroom-, kortsluiting- en oververhittingsbeveiliging met automatisch herstel. Bescherming tegen tegenstroom en spanning is ook ingebouwd. Met een maximale stroomsterkte van 3A en een minimale aan-weerstand van 50mΩ bieden ze een robuuste en efficiënte manier om USB-poorten te beschermen. Als alternatief kan met de AP22652 of AP22653 de stroomlimiet worden aangepast tot maximaal 2,1 A en heeft een maximale aan-weerstand van 65mΩ. Een andere optie is de AP22615 (Figuur 2) of AP22815, die een overspanningsbeveiliging tot 28V hebben en zowel vaste als instelbare stroombegrenzingsopties bieden.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2. De AP22615 biedt geïntegreerde bescherming voor USB-gevoede apparaten. [Bron:Diodes Incorporated]

De USB-schakelaars bieden ook een softstart-functie, die de stijgtijd van de uitgangsspanning regelt om zowel de bron als de belasting te beschermen. Een extra veiligheidsfunctie beschermt tegen stroompieken om valse foutcondities te minimaliseren.

PoE met hoger vermogen

In IoT-toepassingen die veel stroom vragen, zoals toegangscontrole of videoapparaten, moeten ontwerpers de energie-efficiëntie in de gaten houden om optimale prestaties te leveren voor een beperkte ruimte en kosten. Het is belangrijk om in elke fase van het voedingssysteem efficiënte apparaten te kiezen en waar mogelijk te profiteren van hoge dichtheid en integratie. De ZXTR2000-familie van lineaire regelaars van Diodes (Figuur 3) is ontworpen voor 48V DC-voedingssystemen, inclusief PoE-toepassingen. Deze regelaars integreren een transistor, zenerdiode en weerstand in een enkel pakket, waardoor het aantal componenten en de benodigde ruimte op de kaart worden verminderd.

Afbeelding 3. De XTR200-familie levert een geïntegreerde oplossing voor krachtige PoE-toepassingen. [Bron:Diodes Incorporated]

Conclusie

Ontwerpers van IoT-eindpunten kunnen nu verder denken dan offline, draadloze stroomoverdracht en batterijvermogen om te voldoen aan de behoeften van veeleisende toepassingen. Bekabelde standaarden zoals USB en PoE bieden handige en flexibele opties om uitdagingen op het gebied van stroomvoorziening het hoofd te bieden, door gebruik te maken van kant-en-klare DC-DC-converters, regelaars en beveiligingsapparatuur.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Electronics News.