通過USB和以太網為物聯網端點供電

USB 和以太網等有線數據連接還可以提供有效且便捷的解決方案，為當今最苛刻的物聯網端點供電。

物聯網端點的典型特征是功耗極低的設備，而且體積也很小，它們也可能是自供電的，或者設計為使用紐扣電池運行多年。實際上，物聯網包含更多樣化的設備類型，包括智能傳感器、數據記錄設備、智能樓宇控制器、安全設備（如入侵者探測器和網絡攝像頭）以及許多其他零售、企業和基礎設施應用。）。

其中許多設備都需要大量能源。小電池無法滿足的需求。它們可能具有強大的嵌入式處理器來在本地處理數據，以減少網絡延遲、增加隱私或降低最終成本。它們可能包括一個機械子系統，例如具有云臺變焦 (PTZ) 功能的攝像機，它可以輕松地將幾瓦特添加到總系統功率要求中。在這些應用中，小型電池根本無法滿足峰值系統功率需求，或者無法提供足夠的容量來提供所需的運行時間，從而導致定期更換。

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備內部的 AC-DC 電源轉換，從而產生額外的復雜性。雖然這種設計復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用。

如果端點中包含有線 USB 或以太網連接，則設計人員可以利用它們各自的供電功能。以太網供電 (PoE) 和 USB 供電使用相同的電纜來供電和傳輸數據，從而避免了與電池和交流電源相關的缺點。USB 電源和 PoE 符合既定標準，并且以低壓供電，使設備本質上安全，可供最終用戶操作。

USB 電源規格

一個普通的 USB 2.0 連接，包含兩條數據線（D+ 和 D-）、一個 5V 直流電源和接地，通常能夠提供高達 500mA 的電流。這足以為需要 2.5W 或更低功率的端點供電。USB 3.0 端口增加了這一點，可提供高達 900mA 的電流，而最新的 USB Type-C? 端口可配置為在 5V 時提供高達 1.5A 或 3.0A 的電流，從而將最大功率增加到 15W。

USB Power Delivery (USB PD) 是一個單獨的標準，它在 USB Type-C 連接器中使用數據線。這些允許兼容的設備與電源供應商協商，傳達他們需要多少電力。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。

以太網供電類型

現有的以太網基礎設施可以支持在網絡上任何一點插入的物聯網端點，充當 PoE 受電設備 (PD)，同時只需要最少的新接線（如果有的話）。電源設備 (PSE) 可以是一種設備，例如 PoE 交換機或集線器，旨在使用電纜中的一個或多個數據對供電。以太網標準中規定的最大數據傳輸距離為 100 米，但可以插入 PoE 擴展器以實現更長的連接。

還提供 PoE 注入器，旨在為來自非 PoE 交換機的電纜增加電力。相反，PoE 分路器將電源與以太網線路分開，為非 PoE 端點提供專用電源輸出。

目前有幾代 PoE 設備投入使用，如表 1 所示。第一代 1 型 PoE，定義為標準 IEEE 802.3af，支持由 PSE 提供的高達 15.4W 的功率預算。后來的 802.3at Type-2 標準 PoE+ 支持高達 30W 的功率，并且向后兼容 Type 1 PD。

最新的 802.3bt 標準包括 Type-3、PoE++（或 UPoE）設備，最大功率預算為 60W，以及 100W Type-4 設備。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 PD。此外，最低允許的 PD 待機功率已降低，從而提高了對低能耗設計的支持。

USB 或 PoE 端點設計

IEEE標準	PoE 類型	端口供電	最大電流
802.3af	類型 1	15.4W	350毫安
802.3at	類型 2	30W	600毫安
802.3bt	類型 3	60W	600毫安
802.3bt	類型 4	100W	960毫安

表 1：PoE 標準。

傳統的 USB 2.0、USB 3.2 或 USB Type-C 端口可提供相對穩定的 5V 直流電源，可直接從連接器中的專用電源線獲取。DC-DC 轉換器，例如 Diodes Incorporated AP61100 5V、1A 降壓轉換器，是穩定通過 USB 電源運行的物聯網端點的這種電源的理想設備。

在 PoE 供電系統中，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 轉換器來為負載供電。適用于 PoE 二次直流總線應用的 DC-DC 轉換器包括 Diodes 的 AP62200 (18V/2A) 和 AP63200 (32V/2A) 同步降壓轉換器。這些器件具有寬輸入電壓范圍，并具有低導通電阻的高側和低側 MOSFET，可最大限度地提高能源效率。AP62200 系列中的恒定導通時間 (COT) 控制和 AP63200 系列中具有集成補償環路的峰值電流模式控制提供了增強的性能，同時最大限度地減少了外部組件。

基本保護

USB 提供了有助于系統管理的復雜功能，例如確保每個設備僅使用其所需的電源。標準中定義的協商協議和功率配置文件支持電源和端點之間的通信，以優化可用功率。

另一方面，在設備通電之前沒有握手或數據交換。雖然這有助于 USB 的經濟性和即插即用的簡單性，消除了對供電設備中輔助電源的任何要求，但可能存在故障風險。一個例子是，如果設備試圖要求過多的功率，或者如果它引入了短路。

設計人員可以通過使用電源開關（例如 Diodes AP22811、AP22804 或 AP22814）來防止這些情況。這些器件通過自動恢復實現過流、短路和過溫保護。還內置了對反向電流和電壓的保護。最大額定電流為 3A，最小導通電阻為 50mΩ，它們提供了一種強大而有效的 USB 端口保護方法。或者，AP22652 或 AP22653 允許將電流限制調整到最大 2.1A，最大導通電阻為 65mΩ。另一種選擇是 AP22615（圖 2）或 AP22815，它們具有高達 28V 的過壓保護，并提供固定和可調限流選項。

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

USB 開關還提供軟啟動功能，可控制輸出電壓上升時間以保護電源和負載。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網應用中，例如訪問控制或視頻設備，設計人員需要密切關注電源效率，以便在有限的空間和成本下提供最佳性能。在電力系統的每個階段選擇高效的設備并盡可能利用高密度和集成是很重要的。Diodes 的 ZXTR2000 系列線性穩壓器（圖 3）專為 48V 直流電源系統而設計，包括 PoE 應用。這些穩壓器將晶體管、齊納二極管和電阻器集成到單個封裝中，從而減少了元件數量和電路板空間要求。