作者：Benjamin Tang，Mingyu Qu

USB和以太網等有線數據連接還可以提供有效便捷的解決方案，以為當今最苛刻的IoT端點提供電源。

物聯網終端通常被描述為具有極低功率的設備，它們的尺寸也很小，它們也可能是自供電的，或者被設計為可以使用紐扣電池運行很多年。實際上，物聯網包括更多類型的設備，包括智能傳感器，數據記錄設備，智能建筑控制器，安全設備（例如入侵者檢測器和網絡攝像機）以及許多其他零售，企業和基礎設施應用（圖1）。

圖1.物聯網應用正在擴展，以涵蓋需要更多電池的設備。[資料來源：Diodes Incorporated]

這些設備中的許多設備都具有巨大的能源需求。小型電池無法滿足的需求。它們可能具有功能強大的嵌入式處理器來本地處理數據，以減少網絡延遲，增加隱私或僅降低最終成本。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，該子系統可以輕松地為系統總功率需求增加幾瓦。在這些應用中，小的電池將無法滿足系統的峰值功率需求，或者無法提供足夠的容量來交付所需的運行時間，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。從附近的交流電源線（如果可用）取電將消除電池的必要性，但這會引入額外的電源線以及設備內部的AC-DC電源轉換，從而增加了額外的復雜性。雖然可以使用外部電源適配器解決這種設計復雜性，但它不會解決額外的費用。

如果端點中包括有線USB或以太網連接，則設計人員可以利用其各自的電源傳輸功能。以太網供電（PoE）和USB供電使用同一根電纜來供電和傳輸數據，從而避免了與電池和交流電源有關的弊端。USB電源和PoE符合既定標準，并且電源以低壓供電，從而使設備本質上安全，可供最終用戶使用。

USB電源規格

普通的USB 2.0連接包含兩條數據線（D +和D-），5V DC電源和地，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端口可增加此電流，提供高達900mA的電流，而最新的USBType-C?端口可配置為在5V電壓下提供高達1.5A或3.0A的電流，從而將最大功率提高至15W。

USB Power Delivery（USB PD）是使用USB Type-C連接器中的數據線的獨立標準。這些使兼容的設備可以與電源供應商協商，交流所需的電量。這可能是9V或15V（3A）或5A時為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

現有的以太網基礎架構可以支持在網絡上任何位置插入的IoT端點，充當PoE受電設備（PD），而僅需最少的新布線（如果有）。供電設備（PSE）可以是諸如PoE交換機或集線器之類的設備，設計為使用電纜中的一個或多個數據對供電。以太網標準中指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。

還可提供PoE注入器，該注入器旨在為來自非PoE交換機的電纜增加功率。相反，PoE分離器將電源與以太網線路分開，以為非PoE端點提供專用的電源輸出。

當前正在使用幾代PoE設備，總結在表1中。第一代類型1 PoE（定義為標準IEEE 802.3af）支持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，并與Type 1 PD向后兼容。

最新的802.3bt標準包括最大功率預算為60W的Type-3，PoE ++（或UPoE）設備以及100W Type-4設備。802.3af和802.3at在Cat 5 / 5e電纜中最多使用兩對電線，而802.3bt需要Cat 6（平衡）電纜，并使用所有四對電線。這種布置大大降低了電纜中的功耗，從而使更多的功率可以到達PD。此外，最低的PD待機功耗已降低，從而改善了對低能耗設計的支持。

表1：PoE標準。

USB或PoE的端點設計

常規的USB 2.0，USB 3.2或USB Type-C端口可提供相對穩定的5V DC電源，可直接從連接器中的專用電源線獲取電源。DC-DC轉換器，例如Diodes Incorporated AP61100 5V，1A降壓轉換器，是為通過USB電源運行的IoT端點穩定此電源的理想設備。

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次級DC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。它們具有寬的輸入電壓范圍，并具有低導通電阻的高端和低端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可提供增強的性能，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電源配置文件使電源和端點之間能夠進行通信以優化可用電源。

另一方面，在設備通電之前沒有握手或數據交換。盡管這有助于提高USB的經濟性和即插即用的簡便性，消除了對設備供電中對輔助電源的任何要求，但仍存在發生故障的風險。一個示例是設備是否試圖要求過多的功率，或者是否引入了短路。

設計人員可以使用電源開關（例如，二極管AP22811，AP22804或AP22814）來防止這些情況的發生。這些器件可實現自動恢復的過電流，短路和過熱保護。還內置了針對反向電流和電壓的保護。它們的最大額定電流為3A，最小導通電阻為50mΩ，它們提供了一種保護USB端口的強大而有效的方法。另外，AP22652或AP22653允許將電流限制調整到最大2.1A，并具有65mΩ的最大導通電阻。另一個選擇是AP22615（圖2）或AP22815，它們具有高達28V的過壓保護功能，并提供固定和可調限流選項。

圖2. AP22615為USB供電的設備提供集成保護。[資料來源：Diodes Incorporated]

USB開關還提供軟啟動功能，該功能控制輸出電壓的上升時間，以保護電源和負載。附加的安全功能可防止電流浪涌，從而最大程度地減少錯誤故障條件。

高功率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，設計人員需要關注功率效率，以在有限的空間和成本下提供最佳性能。重要的是在電源系統的每個階段選擇高效的設備，并在可能的情況下利用高密度和集成的優勢。Diodes的ZXTR2000線性穩壓器系列（圖3）設計用于48V直流電源系統，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一個封裝中，從而減少了元件數量和電路板空間要求。

圖3. XTR200系列為大功率PoE應用提供了一個集成解決方案。[資料來源：Diodes Incorporated]

結論

物聯網端點的設計人員現在可以考慮脫機，無線電源傳輸和電池電源，以滿足苛刻的應用程序的需求。USB和PoE等有線標準利用現成的DC-DC轉換器，穩壓器和保護設備，提供了方便靈活的選項來克服電源挑戰。

編輯：hfy