Menggunakan koneksi data kabel untuk memberi daya pada perangkat IoT yang menuntut

Koneksi data berkabel seperti USB dan Ethernet juga dapat menawarkan solusi yang efektif dan nyaman untuk memberikan daya bagi titik akhir IoT yang paling menuntut saat ini.

Titik akhir IoT biasanya dicirikan sebagai perangkat berdaya sangat rendah yang juga berukuran kecil, dan mungkin juga bertenaga sendiri atau dirancang untuk dijalankan dari sel koin selama bertahun-tahun. Pada kenyataannya, IoT terdiri dari keragaman jenis perangkat yang lebih besar, termasuk sensor pintar, perangkat pencatatan data, pengontrol bangunan pintar, perangkat keamanan (seperti detektor penyusup dan kamera jaringan), dan banyak aplikasi ritel, perusahaan, dan infrastruktur lainnya ( Gambar 1).

Gambar 1. Aplikasi IoT berkembang untuk mencakup perangkat yang membutuhkan lebih dari yang dapat diberikan oleh baterai yang lebih kecil. [Sumber:Dioda Tergabung]

Banyak dari perangkat ini datang dengan kebutuhan energi yang signifikan; kebutuhan yang tidak dapat dipenuhi oleh baterai kecil. Mereka mungkin menampilkan prosesor tertanam yang kuat untuk menangani data secara lokal untuk mengurangi latensi jaringan, menambah privasi, atau hanya menurunkan biaya akhir. Mereka mungkin menyertakan subsistem mekanis, seperti kamera dengan kemampuan pan-tilt-zoom (PTZ), yang dapat dengan mudah menambahkan beberapa Watt ke total kebutuhan daya sistem. Dalam aplikasi ini, baterai kecil tidak akan mampu memenuhi permintaan daya sistem puncak, atau akan memberikan kapasitas yang tidak mencukupi untuk memberikan runtime yang diinginkan, sehingga mengakibatkan penggantian secara berkala.

Baterai yang lebih besar dapat dipertimbangkan tetapi itu juga akan meningkatkan ukuran, berat, dan tagihan material secara keseluruhan. Mengambil daya dari saluran AC terdekat, jika tersedia, akan menghilangkan kebutuhan akan baterai, tetapi ini memperkenalkan kabel daya tambahan bersama dengan konversi daya AC-DC di dalam perangkat, menciptakan kerumitan ekstra. Meskipun kerumitan desain ini dapat diatasi menggunakan adaptor daya eksternal, hal itu tidak akan mengatasi biaya tambahan.

Jika koneksi USB atau Ethernet kabel disertakan dalam titik akhir, perancang dapat memanfaatkan fitur pengiriman daya masing-masing. Power over Ethernet (PoE) dan pengiriman daya USB menggunakan kabel yang sama untuk daya, serta data, dan dengan demikian menghindari kelemahan yang terkait dengan baterai dan daya AC. Daya USB dan PoE tercakup dalam standar yang ditetapkan dan daya dikirimkan pada tegangan rendah, membuat peralatan secara intrinsik aman untuk ditangani oleh pengguna akhir.

Spesifikasi Daya USB

Koneksi USB 2.0 biasa, yang berisi dua jalur data (D+ dan D-), suplai DC 5V, dan ground, biasanya mampu memasok hingga 500mA. Ini cukup untuk memberi daya pada titik akhir yang membutuhkan 2.5W atau kurang. Port USB 3.0 meningkatkan ini, menyediakan hingga 900mA, sedangkan port USB Type-C® terbaru dapat dikonfigurasi untuk memasok hingga 1,5A atau 3.0A pada 5V, meningkatkan daya maksimum hingga 15W.

Pengiriman Daya USB (USB PD) adalah standar terpisah yang menggunakan jalur data di konektor USB Type-C. Ini memungkinkan perangkat yang sesuai untuk bernegosiasi dengan pemasok daya, mengomunikasikan seberapa banyak daya yang mereka butuhkan. Ini mungkin 9V atau 15V (3A) atau 20V pada 5A, meningkatkan daya maksimum yang tersedia dari sambungan USB menjadi 100W.

Tipe Power over Ethernet

Infrastruktur Ethernet yang ada dapat mendukung titik akhir IoT yang terpasang di titik mana pun di jaringan, berfungsi sebagai perangkat bertenaga PoE (PD), sementara hanya membutuhkan kabel baru yang minimal, jika ada. Peralatan sumber daya (PSE) dapat berupa perangkat seperti sakelar PoE atau hub yang dirancang untuk memasok daya menggunakan satu atau lebih pasangan data dalam kabel. Jarak transmisi data maksimum yang ditentukan dalam standar Ethernet adalah 100 meter tetapi ekstender PoE dapat dimasukkan untuk mengaktifkan koneksi yang lebih lama.

Injektor PoE, yang dirancang untuk menambah daya ke kabel yang berasal dari sakelar non-PoE, juga tersedia. Sebaliknya, pemisah PoE memisahkan daya dari jalur Ethernet untuk menyediakan keluaran daya khusus untuk titik akhir non-PoE.

Beberapa generasi peralatan PoE saat ini sedang digunakan, dirangkum dalam Tabel 1. Generasi pertama, PoE Tipe 1, yang didefinisikan sebagai standar IEEE 802.3af, mendukung anggaran daya hingga 15.4W, yang dipasok oleh PSE. Standar Tipe-2 802.3at yang lebih baru, PoE+, mendukung hingga 30W dan kompatibel dengan PD Tipe 1.

Standar 802.3bt terbaru mencakup peralatan Tipe-3, PoE++ (atau UPoE), dengan anggaran daya maksimum 60W, serta peralatan Tipe-4 100W. Sedangkan 802.3af dan 802.3at menggunakan maksimal dua pasang kabel di kabel Cat 5/5e, 802.3bt memanggil kabel Cat 6 (seimbang) dan menggunakan keempat pasang kabel. Pengaturan ini sangat mengurangi daya yang dihamburkan dalam kabel, memungkinkan lebih banyak daya untuk mencapai PD. Selain itu, daya siaga PD minimum yang diizinkan telah diturunkan, sehingga meningkatkan dukungan untuk desain hemat energi.

Desain Titik Akhir untuk USB atau PoE

Standar IEEE Jenis PoE Daya ke port Arus maksimum 802.3afTipe 115.4W350mA802.3atTipe 230W600mA802.3btTipe 360W600mA802.3btTipe 4100W960mA

Tabel 1:Standar PoE.

Port USB 2.0, USB 3.2, atau USB Type-C konvensional menyediakan suplai DC 5V yang relatif stabil yang dapat diambil langsung dari saluran listrik khusus di konektor. Konverter DC-DC, seperti Diodes Incorporated AP61100 5V, konverter buck 1A, adalah perangkat yang ideal untuk menstabilkan daya ini untuk titik akhir IoT yang beroperasi dari suplai USB.

Dalam sistem bertenaga PoE, transformator diperlukan untuk setiap pasangan kabel, serta penyearah jembatan, pengontrol PD, dan konverter DC-DC untuk memberi daya pada beban. Konverter DC-DC yang sesuai untuk aplikasi bus DC sekunder PoE termasuk konverter buck sinkron AP62200 (18V/2A) dan AP63200 (32V/2A) Dioda. Ini memiliki rentang tegangan input yang lebar dan memiliki fitur MOSFET sisi tinggi dan sisi rendah dengan resistansi rendah untuk memaksimalkan efisiensi energi. Kontrol Constant On-Time (COT) dalam seri AP62200 dan kontrol mode arus puncak dengan loop kompensasi terintegrasi dalam seri AP63200 menawarkan peningkatan kinerja sambil meminimalkan komponen eksternal.

Perlindungan Esensial

USB menyediakan fitur canggih yang membantu manajemen sistem, seperti memastikan setiap perangkat hanya menggunakan daya yang diperlukan. Protokol negosiasi dan profil daya yang ditentukan dalam standar memungkinkan komunikasi antara sumber daya dan titik akhir untuk mengoptimalkan daya yang tersedia.

Di sisi lain, tidak ada jabat tangan atau pertukaran data sebelum daya diterapkan ke perangkat. Meskipun ini berkontribusi pada penghematan dan kesederhanaan plug-and-play USB, menghilangkan persyaratan apa pun untuk sumber daya sekunder di perangkat yang diberi daya, mungkin ada risiko kesalahan. Salah satu contohnya adalah jika perangkat mencoba meminta terlalu banyak daya atau jika perangkat mengalami korsleting.

Desainer dapat melindungi dari situasi ini dengan menggunakan sakelar daya, seperti Dioda AP22811, AP22804, atau AP22814. Perangkat ini menerapkan perlindungan arus berlebih, arus pendek, dan suhu berlebih dengan pemulihan otomatis. Perlindungan terhadap arus dan tegangan balik juga disertakan. Dengan peringkat arus maksimum 3A dan resistansi minimum 50mΩ, mereka menyediakan sarana yang kuat dan efisien untuk melindungi port USB. Alternatifnya, AP22652 atau AP22653 memungkinkan batas arus disesuaikan hingga maksimum 2,1A dan memiliki resistansi aktif maksimum 65mΩ. Pilihan lainnya adalah AP22615 (Gambar 2) atau AP22815, yang memiliki fitur proteksi tegangan berlebih hingga 28V dan menyediakan opsi batas arus tetap dan dapat disesuaikan.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 2. AP22615 menyediakan perlindungan terintegrasi untuk perangkat bertenaga USB. [Sumber:Dioda Tergabung]

Sakelar USB juga menyediakan fungsi soft-start, yang mengontrol waktu naik tegangan output untuk melindungi sumber dan beban. Fitur keamanan tambahan melindungi terhadap lonjakan arus untuk meminimalkan kondisi kesalahan palsu.

PoE Berdaya Lebih Tinggi

Dalam aplikasi IoT yang menuntut daya tinggi, seperti kontrol akses atau perangkat video, desainer perlu memperhatikan efisiensi daya untuk menghadirkan kinerja optimal dengan ruang dan biaya terbatas. Penting untuk memilih perangkat yang efisien pada setiap tahap sistem tenaga dan memanfaatkan kepadatan dan integrasi tinggi jika memungkinkan. Rangkaian regulator linier ZXTR2000 dioda (Gambar 3) dirancang untuk sistem daya DC 48V, termasuk aplikasi PoE. Regulator ini mengintegrasikan transistor, dioda Zener, dan resistor ke dalam satu paket, yang mengurangi jumlah komponen dan kebutuhan ruang papan.

Gambar 3. Keluarga XTR200 menghadirkan solusi terintegrasi untuk aplikasi PoE berdaya tinggi. [Sumber:Dioda Tergabung]

Kesimpulan

Desainer titik akhir IoT sekarang dapat berpikir di luar jaringan, transfer daya nirkabel, dan daya baterai untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang menuntut. Standar berkabel seperti USB dan PoE menawarkan opsi yang mudah dan fleksibel untuk mengatasi tantangan catu daya, memanfaatkan konverter DC-DC, regulator, dan perangkat perlindungan yang tersedia.

>> Artikel ini awalnya diterbitkan pada situs saudara kami, Power Electronics News.