使用有线数据连接为要求苛刻的物联网设备供电

USB 和以太网等有线数据连接也可以提供有效且方便的解决方案，为当今要求最严苛的物联网终端供电。

物联网端点通常具有极低功耗的特点，而且尺寸也很小，它们也可能是自供电的或设计为从纽扣电池运行多年。实际上，物联网包含更多样化的设备类型，包括智能传感器、数据记录设备、智能建筑控制器、安全设备（例如入侵探测器和网络摄像机）以及许多其他零售、企业和基础设施应用程序（图1).

图 1. 物联网应用正在扩展，以涵盖需要比小型电池所能提供的更多的设备。 [来源：Diodes Incorporated]

许多这些设备都需要大量的能源；小电池无法满足的需求。它们可能具有强大的嵌入式处理器来在本地处理数据，以减少网络延迟、增加隐私或只是降低最终成本。它们可能包括一个机械子系统，例如具有平移-倾斜-变焦 (PTZ) 功能的摄像机，它可以轻松地将总系统功率要求增加几瓦。在这些应用中，小电池根本无法满足峰值系统功率需求，或者无法提供足够的容量来提供所需的运行时间，从而导致定期更换。

可以考虑使用更大的电池，但这也会增加整体尺寸、重量和材料清单。从附近的交流线路供电（如果可用）将消除对电池的需求，但这会引入额外的电源线以及设备内部的 AC-DC 电源转换，从而增加了复杂性。虽然使用外部电源适配器可以解决这种设计复杂性，但不会解决额外的费用。

如果端点中包含有线 USB 或以太网连接，设计人员可以利用它们各自的供电功能。以太网供电 (PoE) 和 USB 供电使用相同的电缆供电和传输数据，因此避免了与电池和交流电源相关的缺点。 USB 电源和 PoE 均包含在既定标准中，并且以低电压提供电源，使最终用户操作设备具有本质安全性。

USB 电源规格

包含两条数据线（D+ 和 D-）、一个 5V 直流电源和接地的普通 USB 2.0 连接通常能够提供高达 500mA 的电流。这足以为需要 2.5W 或更少功率的端点供电。 USB 3.0 端口增加了这一点，提供高达 900mA 的电流，而最新的 USB Type-C® 端口可配置为在 5V 时提供高达 1.5A 或 3.0A 的电流，从而将最大功率增加到 15W。

USB Power Delivery (USB PD) 是一个单独的标准，它在 USB Type-C 连接器中使用数据线。这些允许兼容设备与电源供应商协商，传达他们需要多少功率。这可能是 9V 或 15V (3A) 或 5A 时的 20V，将 USB 连接的最大可用功率提高到 100W。

以太网供电类型

现有的以太网基础设施可以支持在网络上的任何点插入的物联网端点，用作 PoE 供电设备 (PD)，同时只需要最少的新布线（如果有的话）。电源设备 (PSE) 可以是诸如 PoE 交换机或集线器之类的设备，旨在使用电缆中的一个或多个数据对供电。以太网标准中规定的最大数据传输距离为 100 米，但可以插入 PoE 扩展器以实现更长的连接。

还提供 PoE 注入器，旨在为来自非 PoE 交换机的电缆供电。相反，PoE 分离器将电力与以太网线路分开，为非 PoE 端点提供专用的电力输出。

目前有几代 PoE 设备在使用，如表 1 所示。第一代 1 类 PoE，定义为标准 IEEE 802.3af，支持高达 15.4W 的功率预算，由 PSE 提供。后来的 802.3at Type-2 标准 PoE+ 支持高达 30W 并且向后兼容 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 和 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）电缆并使用所有四对电线。这种安排大大降低了电缆中的功率消耗，从而使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，提高了对低能耗设计的支持。

USB 或 PoE 端点设计

IEEE 标准 PoE 类型 端口供电 最大电流 802.3afType 115.4W350mA802.3atType 230W600mA802.3btType 360​​W600mA802.3btType 4100W960mA

表 1：PoE 标准。

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，可直接从连接器中的专用电源线获取。 DC-DC 转换器，例如 Diodes Incorporated AP61100 5V、1A 降压转换器，是为使用 USB 电源供电的 IoT 端点稳定此电源的理想设备。

在 PoE 供电系统中，每对电缆都需要一个变压器，以及一个桥式整流器、一个 PD 控制器和一个 DC-DC 转换器来为负载供电。适用于 PoE 次级直流总线应用的 DC-DC 转换器包括 Diodes 的 AP62200 (18V/2A) 和 AP63200 (32V/2A) 同步降压转换器。它们具有宽输入电压范围，并具有低导通电阻的高侧和低侧 MOSFET，以最大限度地提高能效。 AP62200 系列中的恒定导通时间 (COT) 控制和 AP63200 系列中具有集成补偿回路的峰值电流模式控制提供了增强的性能，同时最大限度地减少了外部组件。

基本保护

USB 提供了有助于系统管理的复杂功能，例如确保每个设备只消耗其所需的电量。标准中定义的协商协议和功率配置文件支持电源和端点之间的通信，以优化可用功率。

另一方面，在设备上电之前没有握手或数据交换。虽然这有助于 USB 的经济性和即插即用的简单性，消除了对被供电设备中的辅助电源的任何要求，但可能存在故障风险。一个例子是如果设备试图要求过多的功率或它引入了短路。

设计人员可以通过使用电源开关（例如 Diodes AP22811、AP22804 或 AP22814）来防范这些情况。这些器件实现了具有自动恢复功能的过流、短路和过温保护。还内置了反向电流和电压保护。最大额定电流为 3A，最小导通电阻为 50mΩ，它们提供了一种强大而有效的保护 USB 端口的方法。或者，AP22652 或 AP22653 允许将电流限制调整到最大 2.1A，并具有 65mΩ 的最大导通电阻。另一种选择是 AP22615（图 2）或 AP22815，它们具有高达 28V 的过压保护，并提供固定和可调电流限制选项。

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图 2. AP22615 为 USB 供电设备提供集成保护。 [来源：Diodes Incorporated]

USB 开关还提供软启动功能，可控制输出电压上升时间以保护电源和负载。额外的安全功能可防止电流浪涌，以最大限度地减少错误故障情况。

更高功率的 PoE

在需要高功率的物联网应用中，例如访问控制或视频设备，设计人员需要密切关注功率效率，以在有限的空间和成本下提供最佳性能。在电力系统的每个阶段选择高效的设备并在可能的情况下利用高密度和集成是很重要的。 Diodes 的 ZXTR2000 系列线性稳压器（图 3）专为 48V 直流电源系统而设计，包括 PoE 应用。这些稳压器将晶体管、齐纳二极管和电阻器集成到单个封装中，从而减少了组件数量和电路板空间要求。

图 3. XTR200 系列为高功率 PoE 应用提供集成解决方案。 [来源：Diodes Incorporated]

结论

物联网端点的设计人员现在可以超越离线、无线电力传输和电池供电的考虑，以满足苛刻应用的需求。 USB 和 PoE 等有线标准提供了方便灵活的选项来克服电源挑战，利用现成的 DC-DC 转换器、稳压器和保护设备。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站，电力电子新闻。