Utiliser des connexions de données filaires pour alimenter des appareils IoT exigeants

Les connexions de données filaires telles que USB et Ethernet peuvent également offrir une solution efficace et pratique pour fournir de l'énergie aux terminaux IoT les plus exigeants d'aujourd'hui.

Les points de terminaison IoT sont généralement caractérisés comme étant des appareils à très faible consommation qui sont également de petite taille, et ils peuvent également être auto-alimentés ou conçus pour fonctionner à partir d'une pile bouton pendant de nombreuses années. En réalité, l'IoT comprend une plus grande diversité de types d'appareils, notamment des capteurs intelligents, des dispositifs d'enregistrement de données, des contrôleurs de bâtiments intelligents, des dispositifs de sécurité (tels que des détecteurs d'intrusion et des caméras en réseau) et de nombreuses autres applications de vente au détail, d'entreprise et d'infrastructure ( Figure 1).

Figure 1. Les applications IoT s'étendent pour englober les appareils qui nécessitent plus que ce que les petites batteries peuvent fournir. [Source :Diodes Incorporated]

Beaucoup de ces appareils ont des besoins énergétiques importants; besoins qui ne peuvent pas être satisfaits par une petite batterie. Ils peuvent comporter un puissant processeur intégré pour gérer les données localement afin de réduire la latence du réseau, d'ajouter de la confidentialité ou simplement de réduire le coût final. Ils peuvent inclure un sous-système mécanique, tel qu'une caméra avec fonction pan-tilt-zoom (PTZ), qui peut facilement ajouter plusieurs watts aux besoins énergétiques totaux du système. Dans ces applications, une petite batterie serait tout simplement incapable de satisfaire la demande de puissance maximale du système ou fournirait une capacité insuffisante pour fournir la durée de fonctionnement souhaitée, ce qui entraînerait un remplacement périodique.

Une batterie plus grande pourrait être envisagée, mais cela augmenterait également la taille globale, le poids et la nomenclature. Prendre l'alimentation d'une ligne CA à proximité, si disponible, éliminerait la nécessité d'une batterie, mais cela introduit un câble d'alimentation supplémentaire ainsi que la conversion d'alimentation CA-CC à l'intérieur de l'appareil, créant une complexité supplémentaire. Bien que cette complexité de conception puisse être résolue à l'aide d'un adaptateur d'alimentation externe, cela ne résoudrait pas les dépenses supplémentaires.

Si une connexion USB ou Ethernet filaire est incluse dans le point de terminaison, le concepteur peut tirer parti de leurs fonctionnalités d'alimentation électrique respectives. L'alimentation par Ethernet (PoE) et l'alimentation USB utilisent le même câble pour l'alimentation, ainsi que pour les données, et évitent ainsi les inconvénients associés aux batteries et à l'alimentation secteur. L'alimentation USB et PoE sont couvertes par des normes établies et l'alimentation est fournie à basse tension, ce qui rend l'équipement intrinsèquement sûr pour l'utilisateur final.

Spécifications d'alimentation USB

Une connexion USB 2.0 ordinaire, qui contient deux lignes de données (D+ et D-), une alimentation 5 V CC et la terre, est normalement capable de fournir jusqu'à 500 mA. Cela est suffisant pour alimenter un point de terminaison nécessitant 2,5 W ou moins. Un port USB 3.0 augmente cela, fournissant jusqu'à 900 mA, tandis que le dernier port USB Type-C® peut être configuré pour fournir jusqu'à 1,5 A ou 3,0 A à 5 V, augmentant la puissance maximale à 15 W.

USB Power Delivery (USB PD) est une norme distincte qui utilise des lignes de données dans le connecteur USB Type-C. Ceux-ci permettent aux appareils conformes de négocier avec le fournisseur d'électricité, en communiquant exactement la quantité d'énergie dont ils ont besoin. Cela peut être 9 V ou 15 V (3 A) ou 20 V à 5 A, augmentant la puissance maximale disponible à partir d'une connexion USB à 100 W.

Types d'alimentation par Ethernet

L'infrastructure Ethernet existante peut prendre en charge un point de terminaison IoT branché à n'importe quel point du réseau, fonctionnant comme un appareil alimenté par PoE (PD), tout en ne nécessitant qu'un nouveau câblage minimal, le cas échéant. L'équipement de source d'alimentation (PSE) peut être un dispositif tel qu'un commutateur ou un concentrateur PoE conçu pour fournir de l'énergie à l'aide d'une ou plusieurs des paires de données du câble. La distance maximale de transmission de données spécifiée dans la norme Ethernet est de 100 mètres, mais une rallonge PoE peut être insérée pour permettre des connexions plus longues.

Des injecteurs PoE, conçus pour alimenter les câbles provenant d'un commutateur non PoE, sont également disponibles. À l'inverse, les répartiteurs PoE séparent l'alimentation des lignes Ethernet pour fournir une sortie d'alimentation dédiée pour un point de terminaison non PoE.

Plusieurs générations d'équipements PoE sont actuellement en service, résumées dans le tableau 1. La première génération, PoE de type 1, définie comme la norme IEEE 802.3af, prend en charge un budget de puissance allant jusqu'à 15,4 W, fourni par le PSE. La dernière norme 802.3at Type-2, PoE+, prend en charge jusqu'à 30 W et est rétrocompatible avec les PD de type 1.

La dernière norme 802.3bt englobe les équipements de Type-3, PoE++ (ou UPoE), avec un budget de puissance maximum de 60W, ainsi que les équipements de 100W de Type-4. Alors que 802.3af et 802.3at utilisent un maximum de deux paires de fils dans un câble Cat 5/5e, le 802.3bt demande un câble Cat 6 (symétrique) et utilise les quatre paires de fils. Cette disposition réduit considérablement la puissance dissipée dans le câble, permettant à plus de puissance d'atteindre le PD. De plus, la puissance de veille minimale autorisée des PD a été abaissée, améliorant la prise en charge des conceptions à faible consommation d'énergie.

Conception de point de terminaison pour USB ou PoE

Norme IEEE Type PoE Alimentation au port Courant maximum 802.3afType 115.4W350mA802.3atType 230W600mA802.3btType 360W600mA802.3btType 4100W960mA

Tableau 1 : normes PoE.

Un port USB 2.0, USB 3.2 ou USB Type-C conventionnel fournit une alimentation 5 V CC relativement stable qui peut être prise directement à partir de lignes électriques dédiées dans le connecteur. Un convertisseur DC-DC, tel que le convertisseur abaisseur Diodes Incorporated AP61100 5V, 1A, est un appareil idéal pour stabiliser cette puissance pour les terminaux IoT fonctionnant à partir d'une alimentation USB.

Dans un système alimenté par PoE, un transformateur est requis pour chaque paire de câbles, ainsi qu'un pont redresseur, un contrôleur PD et un convertisseur DC-DC pour alimenter la charge. Les convertisseurs CC-CC appropriés pour les applications de bus CC secondaire PoE incluent les convertisseurs abaisseurs synchrones AP62200 (18V/2A) et AP63200 (32V/2A) de Diodes. Ceux-ci ont une large plage de tension d'entrée et comportent des MOSFET côté haut et côté bas avec une faible résistance à l'état passant pour maximiser l'efficacité énergétique. Le contrôle à temps constant (COT) de la série AP62200 et le contrôle du mode de courant de crête avec boucle de compensation intégrée dans la série AP63200 offrent des performances améliorées tout en minimisant les composants externes.

Protection Essentielle

L'USB fournit des fonctionnalités sophistiquées qui facilitent la gestion du système, telles que la garantie que chaque périphérique ne consomme que l'énergie dont il a besoin. Les protocoles de négociation et les profils de puissance définis dans la norme permettent la communication entre les sources d'alimentation et les points de terminaison pour optimiser la puissance disponible.

D'un autre côté, il n'y a pas de poignée de main ou d'échange de données avant la mise sous tension d'un appareil. Bien que cela contribue à l'économie et à la simplicité plug-and-play de l'USB, éliminant toute exigence d'une source d'alimentation secondaire dans l'appareil alimenté, il peut y avoir un risque de panne. Par exemple, si un appareil essaie de demander trop de puissance ou s'il introduit un court-circuit.

Les concepteurs peuvent se protéger contre ces situations en utilisant un interrupteur d'alimentation, tel qu'une diode AP22811, AP22804 ou AP22814. Ces appareils mettent en œuvre une protection contre les surintensités, les courts-circuits et les surchauffes avec récupération automatique. Une protection contre les courants et les tensions inverses est également intégrée. Avec un courant nominal maximum de 3 A et une résistance minimale de 50 mΩ, ils constituent un moyen robuste et efficace de protéger les ports USB. Alternativement, l'AP22652 ou l'AP22653 permet d'ajuster la limite de courant jusqu'à un maximum de 2,1 A et a une résistance de marche maximale de 65 mΩ. Une autre option est l'AP22615 (Figure 2) ou l'AP22815, qui offrent une protection contre les surtensions jusqu'à 28 V et offrent des options de limitation de courant fixes et réglables.

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Figure 2. L'AP22615 offre une protection intégrée pour les appareils alimentés par USB. [Source :Diodes Incorporated]

Les commutateurs USB fournissent également une fonction de démarrage progressif, qui contrôle le temps de montée de la tension de sortie pour protéger à la fois la source et la charge. Une fonction de sécurité supplémentaire protège contre les surtensions de courant pour minimiser les fausses conditions de défaut.

PoE plus puissant

Dans les applications IoT qui nécessitent une puissance élevée, telles que le contrôle d'accès ou les appareils vidéo, les concepteurs doivent garder un œil sur l'efficacité énergétique pour offrir des performances optimales pour un espace et un coût limités. Il est important de choisir des appareils efficaces à chaque étape du système d'alimentation et de tirer parti de la haute densité et de l'intégration lorsque cela est possible. La famille de régulateurs linéaires ZXTR2000 de Diodes (Figure 3) est conçue pour les systèmes d'alimentation 48 V CC, y compris les applications PoE. Ces régulateurs intègrent un transistor, une diode Zener et une résistance dans un seul boîtier, ce qui réduit le nombre de composants et l'espace requis sur la carte.

Figure 3. La famille XTR200 offre une solution intégrée pour les applications PoE haute puissance. [Source :Diodes Incorporated]

Conclusion

Les concepteurs de terminaux IoT peuvent désormais penser au-delà du transfert d'énergie sans fil et hors ligne et de l'alimentation par batterie pour répondre aux besoins des applications exigeantes. Les normes filaires telles que l'USB et le PoE offrent des options pratiques et flexibles pour surmonter les défis de l'alimentation électrique, en tirant parti des convertisseurs DC-DC, des régulateurs et des dispositifs de protection du commerce.

>> Cet article a été initialement publié le notre site sœur, Power Electronics News.