High-Demand IoT Devices mit USB und PoE powern

Verkabelte Data Links wie USB und Ethernet liefern nicht nur Data, sondern auch zuverlässige Power an heutige anspruchsvollste IoT Endpoints.

Während viele IoT Devices als Low-Power, kompakte Units engineered sind, die auf Coin Cells oder Batterien laufen, umfasst das Spektrum jetzt Smart Sensors, Data Logger, Building Controller, Security Cameras und eine Vielzahl Enterprise und Infrastructure Applikationen.

Diese neueren Endpoints feature oft mächtige Embedded Prozessoren, Local Data Handling, oder Mechanical Subsystems wie PTZ Cameras, die mehrere Watt ziehen können, exceeding Kapazität kleiner Batterien. Eine Batterie allein würde entweder Peak Power Demand nicht treffen oder frequent Replacements necessitate, compromising Reliability und Cost.

Deploying einer größeren Batterie erhöht Size, Weight und BOM. Drawing Power von einer nahen AC Line entfernt die Batterie, aber fügt Extra Cable, AC-DC Conversion und zusätzliche Complexity hinzu – es sei denn, ein External Power Adapter wird genutzt, was trotzdem Cost raised.

Incorporating ein Wired USB oder Ethernet Interface lässt Designer Built-in Power Delivery Features leveragen. Sowohl Power over Ethernet (PoE) als auch USB Power Delivery (USB-PD) nutzen dasselbe Kabel für Data und Power, eliminierend Drawbacks von Batterien und AC Wiring während Low-Voltage Safety maintained wird.

USB Power Specifications

Ein ordinary USB 2.0 Port supplied bis zu 500 mA bei 5 V, sufficient für 2,5 W oder weniger. USB 3.0 raises dies auf 900 mA, und der neueste USB Type-C kann 1,5 A oder 3,0 A bei 5 V liefern, bis zu 15 W. USB-PD verhandelt höhere Voltages – 9 V, 15 V (3 A), oder 20 V (5 A) – providing bis zu 100 W Power.

Power over Ethernet Types

Existierende Ethernet Infrastructure kann einen IoT Endpoint anywhere im Netzwerk als PoE-Powered Device (PD) unterstützen, requiring minimal New Wiring. Power Sourcing Equipment (PSE) kann ein PoE Switch oder Hub sein, das Power via einer oder mehreren Data Pairs injiziert. Während der Standard 100-Meter Data Limit gilt, extenden PoE Extenders diese Reach.

PoE Injectors adden Power zu Cables von Non-PoE Switches, und PoE Splitters extrahieren Power für Non-PoE Endpoints.

Mehrere Generationen von PoE existieren, summarized in Tabelle 1. Type-1 (IEEE 802.3af) unterstützt bis zu 15,4 W, Type-2 (802.3at) bis zu 30 W, Type-3 (802.3bt) bis zu 60 W, und Type-4 (802.3bt) bis zu 100 W. Während 802.3af/at zwei Pairs in Cat 5/5e nutzen, erfordert 802.3bt Cat 6 und alle vier Pairs, reducing Cable Losses und enabling Higher Power Delivery.

IEEE Standard	PoE Type	Power to Port	Maximum Current
802.3af	Type 1	15,4 W	350 mA
802.3at	Type 2	30 W	600 mA
802.3bt	Type 3	60 W	600 mA
802.3bt	Type 4	100 W	960 mA

Tabelle 1: PoE Standards.

Ein konventioneller USB 2.0, USB 3.2 oder USB Type-C Port bietet stabile 5 V DC Supply, die direkt von dedizierten Power Lines im Connector taken werden kann. Ein DC-DC Converter, wie Diodes Incorporated's AP61100 5 V, 1 A Buck Converter, stabilisiert diese Power für IoT Endpoints.

In einem PoE-Powered System benötigt jedes Cable Pair einen Transformer, Bridge Rectifier, PD Controller und DC-DC Converter zum Power der Load. Suitable DC-DC Converters umfassen Diodes' AP62200 (18 V/2 A) und AP63200 (32 V/2 A) Synchronous Buck Converters, offering Wide Input Ranges und Low On-Resistance MOSFETs für Maximum Efficiency. Die AP62200 Serie nutzt Constant On-Time Control, während die AP63200 Serie Peak-Current Mode Control mit integriertem Compensation Loop für reduzierte External Components employed.

Essential Protection

USBs sophistizierte Negotiation Protocols und Power Profiles erlauben jedem Device, nur das zu ziehen, was es braucht, optimizing Power Usage. Allerdings, im Gegensatz zu PoE, bietet USB kein Handshake bevor Power applied wird, exposing das Device zu potenziellen Faults wie Over-Current oder Short-Circuit Conditions.

Designer können diese Risiken mit robusten Protection Devices mitigieren. Diodes' AP22811, AP22804, und AP22814 bieten Over-Current, Short-Circuit und Over-Temperature Protection mit Auto-Recovery, Reverse-Current/Voltage Protection, 3 A Maximum Current Rating, und 50 mΩ On-Resistance. Die AP22652/53 adjusten Current Limit bis zu 2,1 A, während AP22615 (Abbildung 2) und AP22815 Over-Voltage Protection bis 28 V mit Fixed oder Adjustable Current Limits bereitstellen.

Die USB Switches featuren auch Soft-Start Function, die Output Voltage Rise Time kontrolliert, safeguarding sowohl Source als auch Load, und zusätzliche Safety Measures, die gegen Current Surges shielden.

Higher-Power PoE

Applikationen wie Access Control oder High-Resolution Video demanden substantielle Power während Betrieb in Confined Spaces. Selektion effizienter Components an jedem Stage der Power Chain und Leveraging High-Density Integration sind essential für Optimal Performance und Cost.

Diodes' ZXTR2000 Family von Linear Regulatoren (Abbildung 3) ist tailored für 48 V DC PoE Systeme. Durch Integration eines Transistors, Zener Diodes und Resistors in ein Single Package reduzieren diese Regulatoren Component Count und Board Real Estate.

Fazit

IoT Designer haben jetzt mächtige Alternativen zu Battery-Based oder Wireless Power Solutions. Durch Leveraging Standardized Wired Protocols – USB und PoE – alongside Proven DC-DC Converters, Regulators und Protection ICs, können sie Energy Demands von High-Performance Endpoints treffen während Safety, Reliability und Cost Efficiency maintained werden.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite Power Electronics News veröffentlicht.