透过 USB 或 PoE 供电给物联网终端装置，可以提供更高的便利性和经济性

作者：Diodes 公司产品营销经理 Benjamin Tang 和战略营销主管 Mingyu Qu

USB 与以太网络等有线数据连接的方式，也能为目前要求最严苛的物联网终端装置提供有效便利的供电解决方案。

物联网终端装置的典型特征是功耗极低、体积小巧的装置，可能采用自行供电或设计为只要一颗钮扣型电池，便能持续运作多年。实际上物联网包含众多种类的装置，包括智能传感器、数据记录装置、智能建筑控制器、安全装置 (如入侵者侦测器和网络摄影机)，还有许多其他零售、企业及基础设施产品应用 (图 1)。

图 1：物联网产品应用范围不断扩大，其中纳入的部分装置，对电力的需求已非小型电池可以满足。[数据源：Diodes 公司]

这类装置中，不少都存在着小电池无法满足的庞大能源需求。它们可能搭载强大的嵌入式处理器，在本机处理数据，以降低网络等待时间和提高隐私，或者只是降低最终成本。它们可能有一个机械子系统，像是具备平移倾斜变焦 (PTZ) 功能的摄影机，这很容易又将整个系统的功率需求增加几瓦。在这些产品应用中，小电池无法满足系统的最高功率需求，或是提供的电量不足以满足所需的运行时间，而需要定期更换电池。

可以考虑使用更大的电池，但这么一来又会增加整体尺寸、重量和物料清单。可能的话，从附近的交流电线进行供电，便无需使用电池，只是这样又得加上额外的电源线，还有装置内的 AC-DC 电源转换，提高了额外复杂性。可以使用外接电源变压器来解决这种设计上的复杂性，额外费用的问题却依然无法解决。

若终端装置采用有线 USB 或以太网络联机功能，设计人员就能利用各自的供电功能。以太网络供电 (PoE) 和 USB Power Delivery 使用相同的电缆进行供电与数据传输，这样可以避开与电池及交流电源有关的缺点。USB 供电与 PoE 都有既定的标准，且以低电压进行供电，终端用户在操作装置时也较为安全。

USB 供电规格

一个由两条数据线 (D+ 和 D-)、一个 5V 直流电源及接地线组成的普通 USB 2.0 连接方式，通常可以提供 500mA 的电流。这足以为需要 2.5W 或更低功率的终端装置进行供电。一个 USB 3.0 端口提供 900mA 的电流，最新的 USB Type-C® 端口可以在使用 5V 的配置下，提供 1.5A 或 3.0A 的电流，将最大功率增加到 15W。

USB Power Delivery (USB PD) 是独立的标准，使用 USB Type-C 接头中的数据线进行供电。这使得符合标准的装置可以与电源供应器协调，以传输它们所需的电量。这可能是 9V 或 15V (3A) 或 20V (5A)，将 USB 联机的最大功率提高到 100W。

以太网络供电类型

现有的以太网基础设施可支持在网络任何一点插入的物联网终端装置，当成一个 PoE 供电装置 (PD)，同时只要使用最少数量的新布线 (若有的话)。供电端设备 (PSE) 可以是 PoE 切换器或集线器等装置，使用电缆中的一或多个数据对线进行供电。以太网络标准中规定的最大数据传输距离是 100 公尺，但可以插入 PoE 延伸器来拉长连接距离。

也可以使用 PoE 供电器，对来自非 PoE 切换器的电缆进行供电。PoE 分离器则是将电源从以太网络线分离，专门输出电源给非 PoE 终端装置。

如表 1 所示，目前有多代服役中的 PoE 设备。第一代 Type 1 PoE，定义为标准 IEEE 802.3af，支持高达 15.4W 的功率预算，由 PSE 进行供电。之后的 802.3at Type-2 标准，即 PoE+，支持高达 30W，且向下兼容 Type 1 PD。

最新的 802.3bt 标准包括 Type-3、PoE++ (或 UPoE) 设备，最大功率预算为 60W，以及 100W Type-4 设备。802.3af 与 802.3at 在 Cat 5/5e 电缆中最多使用两对电线，而 802.3bt 要求使用 Cat 6 (平衡) 电缆，使用所有四对电线。这种配置大幅降低电缆中的功耗情况，使得更多的功率能够到达 PD。此外还降低了允许的最小 PD 待机功率，提高对低能耗设计的支持。

表 1：PoE 标准。

针对 USB 或 PoE 的终端装置设计

传统的 USB 2.0、USB 3.2 或 USB Type-C 端口提供相对稳定的 5V 直流电源，可以直接从接头中的专用电源线取得。像是 Diodes 公司 AP61100 5V、1A 降压转换器的 DC-DC 转换器，便是一个理想装置，可以稳定供电给透过 USB 电源运作的物联网终端装置。

在 PoE 供电系统中，每对电缆都要配置变压器、桥式整流器、PD 控制器及 DC-DC 转换器，以供电给负载。适用于 PoE 辅助直流总线产品应用的 DC-DC 转换器，包括 Diodes 的 AP62200 (18V/2A) 和 AP63200 (32V/2A) 同步降压转换器。这些产品有较大的输入电压范围，还搭载低导通电阻的高侧和低侧 MOSFET，以将能源效率升到最高。AP62200 系列中的恒定导通时间 (COT) 控制与 AP63200 系列中含整合式补偿回路的峰值电流模式控制，在将外部组件数量降至最低的同时，提供更高的效能。

基本保护

USB 提供有助于进行系统管理的复杂功能，像是确保每件装置只消耗它所需要的电力。标准内订定的协商通讯协议与功率曲线，使得电源和终端装置之间的通讯能够在最佳情况下使用电力。

另一方面，在供电给装置之前，没有进行交握或数据交换。这有助于提高 USB 的经济性和即插即用的简便性，消除装置供电时对辅助电源的任何要求，但也可能存在故障风险。范例之一便是如果装置试图要求过多的电力，或者它造成了短路。

设计人员可以使用 Diodes AP22811、AP22804 或 AP22814 等电源切换器来防止这些情况。这些装置提供具有自动恢复的过电流、短路和过热保护。还内建反向电流和电压的保护措施。它们的最大额定电流为 3A，最小导通电阻为 50mΩ，以强大高效的方式来保护 USB 端口。AP22652 或 AP22653 还能将电流限制值调到最大值 2.1A，最大导通电阻为 65mΩ。另一个选择是 AP22615 (图 2) 或 AP22815，具有 28V 的过电压保护功能，提供固定式及可调式限流选项。

图 2：AP22615 为 USB 供电装置提供整合式保护措施。[数据源：Diodes 公司] 

该 USB 切换器也提供缓启动功能，可以控制输出电压的上升时间，以保护电源和负载。额外的安全功能可防止突波电流，将发生严重故障的情况降至最低。

更高功率的 PoE

设计人员要密切关注高功率物联网产品应用的功率效率，像是门禁控制与视讯装置，以便在有限空间和成本下提供最佳效能。必须在电力系统的每个阶段选择高效率装置，尽量发挥高密度及整合的优点。Diodes 为包括 PoE 产品应用在内的 48V 直流电力系统，设计出 ZXTR2000 系列线性稳压器 (图 3)。这些稳压器在单一封装中整合晶体管、齐纳二极管和电阻器，减少组件数量及电路板空间的要求。

图 3：XTR200 系列为高功率 PoE 产品应用提供整合式解决方案。[数据源：Diodes 公司]

结论

物联网终端装置的设计人员现在可以考虑离线、无线电力传输及电池供电以外的问题，以满足严苛的产品应用需求。USB 和 PoE 等有线标准提供方便弹性的选择，利用现成的 DC-DC 转换器、稳压器和保护装置来克服电源方面的难题。