Memberdayakan Perangkat IoT Permintaan Tinggi dengan USB dan PoE

Tautan data kabel seperti USB dan Ethernet tidak hanya menyampaikan data tetapi juga menyediakan daya yang andal untuk endpoint IoT paling menuntut saat ini.

Sementara banyak perangkat IoT dirancang sebagai unit daya rendah, kompak yang berjalan pada baterai koin atau baterai, spektrum kini termasuk sensor cerdas, pencatat data, pengontrol gedung, kamera pengaman, dan berbagai aplikasi enterprise dan infrastruktur.

Gambar 1. Aplikasi IoT berkembang untuk mencakup perangkat yang membutuhkan lebih dari apa yang dapat diberikan baterai kecil. [Sumber: Diodes Incorporated]

Endpoint yang lebih baru ini sering memiliki prosesor tertanam yang kuat, penanganan data lokal, atau subsistem mekanis seperti kamera PTZ yang dapat menarik beberapa watt, melebihi kapasitas baterai kecil. Baterai saja akan gagal memenuhi permintaan daya puncak atau memerlukan penggantian yang sering, yang merusak keandalan dan biaya.

Menggunakan baterai yang lebih besar meningkatkan ukuran, bobot, dan bill of materials. Mengambil daya dari garis AC di dekatnya menghilangkan baterai tetapi menambahkan kabel ekstra, konversi AC-DC, dan kompleksitas tambahan—kecuali menggunakan adaptor daya eksternal, yang masih meningkatkan biaya.

Mengintegrasikan antarmuka kabel USB atau Ethernet memungkinkan perancang memanfaatkan fitur pengiriman daya bawaan. Baik Power over Ethernet (PoE) maupun USB Power Delivery (USB-PD) menggunakan kabel yang sama untuk data dan daya, menghilangkan kelemahan baterai dan kabel AC sambil menjaga keamanan tegangan rendah.

Spesifikasi Daya USB

Port USB 2.0 biasa menyuplai hingga 500 mA pada 5 V, cukup untuk 2,5 W atau kurang. USB 3.0 meningkatkan ini menjadi 900 mA, dan USB Type-C terbaru dapat menyampaikan 1,5 A atau 3,0 A pada 5 V, hingga 15 W. USB-PD negoisasi tegangan yang lebih tinggi—9 V, 15 V (3 A), atau 20 V (5 A)—menyediakan hingga 100 W daya.

Jenis PoE

Infrastruktur Ethernet yang ada dapat mendukung endpoint IoT di mana saja di jaringan sebagai perangkat daya PoE (PD), yang memerlukan kabel baru minimal. Peralatan sumber daya (PSE) dapat berupa switch atau hub PoE yang menyuntikkan daya melalui satu atau lebih pasang data. Sementara batas data standar 100 meter berlaku, penguat PoE memperluas jangkauan ini.

Penguat PoE menambahkan daya ke kabel dari switch non-PoE, dan pemisah PoE mengekstrak daya untuk endpoint non-PoE.

Ada beberapa generasi PoE, yang diringkas dalam Tabel 1. Type-1 (IEEE 802.3af) mendukung hingga 15,4 W, Type-2 (802.3at) hingga 30 W, Type-3 (802.3bt) hingga 60 W, dan Type-4 (802.3bt) hingga 100 W. Sementara 802.3af/at menggunakan dua pasang dalam Cat 5/5e, 802.3bt memerlukan Cat 6 dan semua empat pasang, mengurangi kehilangan kabel dan memungkinkan pengiriman daya yang lebih tinggi.

Tabel 1: Standar PoE.

Port USB 2.0, USB 3.2, atau USB Type-C konvensional menyediakan supply DC 5 V stabil yang dapat diambil langsung dari garis daya khusus dalam konektor. Konverter DC-DC, seperti AP61100 5 V, 1 A buck converter dari Diodes Incorporated, menstabilkan daya ini untuk endpoint IoT.

Dalam sistem daya PoE, setiap pasang kabel memerlukan trafo, rectifier jembatan, pengontrol PD, dan konverter DC-DC untuk menyediakan daya ke beban. Konverter DC-DC yang cocok meliputi AP62200 (18 V/2 A) dan AP63200 (32 V/2 A) synchronous buck converter dari Diodes, menawarkan rentang input luas dan MOSFET on-resistance rendah untuk efisiensi maksimum. Seri AP62200 menggunakan kontrol Constant On-Time, sementara seri AP63200 menggunakan kontrol peak-current mode dengan loop kompensasi terintegrasi untuk mengurangi komponen eksternal.

Perlindungan Esensial

Protokol negoisasi yang canggih dan profil daya USB memungkinkan setiap perangkat untuk menarik hanya apa yang dibutuhkannya, mengoptimalkan penggunaan daya. Namun, tidak seperti PoE, USB tidak menyediakan handshake sebelum daya diterapkan, Mengekspos perangkat pada potensi kesalahan seperti over-current atau short-circuit.

Para perancang dapat mengurangi risiko ini dengan perangkat perlindungan yang kuat. AP22811, AP22804, dan AP22814 dari Diodes menawarkan perlindungan over-current, short-circuit, dan over-temperature dengan auto-recovery, perlindungan reverse-current/voltage, rating arus maksimum 3 A, dan on-resistance 50 mΩ. AP22652/53 menyesuaikan batas arus hingga 2,1 A, sementara AP22615 (Gambar 2) dan AP22815 menyediakan perlindungan over-voltage hingga 28 V dengan batas arus tetap atau dapat disesuaikan.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 2. AP22615 menyediakan perlindungan terintegrasi untuk perangkat daya USB. [Sumber: Diodes Incorporated]

Switch USB juga memiliki fungsi soft-start yang mengontrol waktu naik tegangan output, melindungi baik sumber maupun beban, dan langkah keamanan tambahan yang melindungi dari lonjakan arus.

PoE Daya Tinggi

Aplikasi seperti kontrol akses atau video resolusi tinggi memerlukan daya yang besar sambil beroperasi di ruang yang sempit. Memilih komponen yang efisien di setiap tahap rantai daya dan memanfaatkan integrasi kepadatan tinggi adalah esensial untuk kinerja dan biaya yang optimal.

Keluarga regulator linear ZXTR2000 dari Diodes (Gambar 3) disesuaikan untuk sistem PoE DC 48 V. Dengan mengintegrasikan transistor, dioda Zener, dan resistor ke dalam satu paket, regulator ini mengurangi jumlah komponen dan area papan.

Gambar 3. Keluarga XTR200 menyediakan solusi terintegrasi untuk aplikasi PoE daya tinggi. [Sumber: Diodes Incorporated]

Kesimpulan

Desainer IoT sekarang memiliki alternatif yang kuat untuk solusi daya baterai atau nirkabel. Dengan memanfaatkan protokol kabel yang terstandarisasi—USB dan PoE—bersama dengan konverter DC-DC, regulator, dan IC perlindungan yang terbukti, mereka dapat memenuhi kebutuhan energi endpoint berkinerja tinggi sambil mempertahankan keamanan, keandalan, dan efisiensi biaya.

>> Artikel ini awalnya diterbitkan di situs kawan kami, Power Electronics News.