USB和以太網等有線數據連接也可以提供有效且方便的解決方案，為當今要求最嚴苛的物聯網端點供電。

物聯網端點通常具有極低功耗的特點，而且尺寸也很小，它們也可能是自供電的或設計為從紐扣電池運行多年。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、智能建筑控制器、安全設備（例如入侵探測器和網絡攝像機）以及許多其他零售、企業和基礎設施應用程序（圖1）。

圖 1. 物聯網應用正在擴展，以涵蓋需要比小型電池所能提供的更多的設備。[來源：Diodes 公司]

許多這些設備都需要大量的能源；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、增加隱私或只是降低最終成本。它們可能包括一個機械子系統，例如具有平移-傾斜-變焦 (PTZ) 功能的攝像機，它可以輕松地將總系統功率要求增加幾瓦。在這些應用中，小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。

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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。從附近的交流線路供電（如果可用）將消除對電池的需求，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，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供電和傳輸數據，因此避免了與電池和交流電源相關的缺點。USB 電源和 PoE 包含在既定標準中，并且以低電壓提供電源，使最終用戶操作設備具有本質安全性。

USB 電源規格

包含兩條數據線（D+ 和 D-）、一個 5V 直流電源和接地的普通 USB 2.0 連接通常能夠提供高達 500mA 的電流。這足以為需要 2.5W 或更少功率的端點供電。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。這些允許兼容設備與電源供應商協商，傳達他們需要多少功率。這可能是 9V 或 15V (3A) 或 5A 時的 20V，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的任何點插入的物聯網端點，用作 PoE 供電設備 (PD)，同時只需要最少的新布線（如果有的話）。電源設備 (PSE) 可以是諸如 PoE 交換機或集線器之類的設備，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 交換機的電纜供電。相反，PoE 分離器將電力與以太網線路分開，為非 PoE 端點提供專用的電力輸出。

目前有幾代 PoE 設備在使用，如表 1 所示。第一代 1 類 PoE，定義為標準 IEEE 802.3af，支持高達 15.4W 的功率預算，由 PSE 提供。后來的 802.3at Type-2 標準 PoE+ 支持高達 30W 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電線，而 802.3bt 要求使用 Cat 6（平衡）電纜并使用所有四對電線。這種安排大大降低了電纜中的功率消耗，從而使更多的功率能夠到達 PD。此外，還降低了允許的最小 PD 待機功率，提高了對低能耗設計的支持。

表 1：PoE 標準。

USB 或 PoE 端點設計

傳統的 USB 2.0、USB 3.2 或 USB Type-C 端口提供相對穩定的 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 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。它們具有寬輸入電壓范圍，并具有低導通電阻的高側和低側 MOSFET，以最大限度地提高能效。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回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，例如確保每個設備只消耗其所需的電量。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，在設備上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，消除了對被供電設備中的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）來防范這些情況。這些器件實現了具有自動恢復功能的過流、短路和過溫保護。還內置了反向電流和電壓保護。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保護 USB 端口的方法。或者，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，并提供固定和可調電流限制選項。

圖 2. AP22615 為 USB 供電設備提供集成保護。[來源：Diodes 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功率效率，以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在可能的情況下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，從而減少了組件數量和電路板空間要求。

圖 3. XTR200 系列為高功率 PoE 應用提供集成解決方案。[來源：Diodes 公司]

結論

物聯網端點的設計人員現在可以超越離線、無線電力傳輸和電池供電，以滿足苛刻應用的需求。USB 和 PoE 等有線標準提供方便靈活的選項來克服電源挑戰，利用現成的 DC-DC 轉換器、穩壓器和保護設備。

審核編輯 黃昊宇