有線データ接続を使用して、要求の厳しいIoTデバイスに電力を供給する

USBやイーサネットなどの有線データ接続も、今日の最も要求の厳しいIoTエンドポイントに電力を供給するための効果的で便利なソリューションを提供できます。

IoTエンドポイントは通常、サイズも小さい非常に低電力のデバイスとして特徴付けられます。また、セルフパワーで動作する場合や、コイン電池で何年も動作するように設計されている場合もあります。実際には、IoTは、スマートセンサー、データロギングデバイス、スマートビルディングコントローラー、セキュリティデバイス（侵入者検出器やネットワークカメラなど）、その他多くの小売、企業、インフラストラクチャアプリケーション（図1）。

図1.IoTアプリケーションは、より小さなバッテリーが提供できる以上のものを必要とするデバイスを含むように拡大しています。 [出典：Diodes Incorporated]

これらのデバイスの多くには、かなりのエネルギー需要があります。小さなバッテリーでは満たすことができないニーズ。データをローカルで処理してネットワーク遅延を削減したり、プライバシーを追加したり、最終コストを削減したりするための強力な組み込みプロセッサを備えている場合があります。それらには、パン・ティルト・ズーム（PTZ）機能を備えたカメラなどの機械的サブシステムが含まれる場合があります。これにより、システムの総電力要件に数ワットを簡単に追加できます。これらのアプリケーションでは、小さなバッテリーではシステムのピーク電力需要を満たすことができないか、必要なランタイムを提供するのに十分な容量が提供されないため、定期的に交換することになります。

より大きなバッテリーを検討することもできますが、それによって全体のサイズ、重量、部品表も増加します。近くのAC回線から電力を取得できる場合は、バッテリーが不要になりますが、これにより、デバイス内でAC-DC電力変換とともに追加の電源ケーブルが導入され、複雑さが増します。この設計の複雑さは外部電源アダプターを使用して対処できますが、追加の費用には対処できません。

有線USBまたはイーサネット接続がエンドポイントに含まれている場合、設計者はそれぞれの電力供給機能を利用できます。 Power over Ethernet（PoE）とUSB電力供給は、データだけでなく電力にも同じケーブルを使用するため、バッテリーとAC電源の両方に関連する欠点を回避できます。 USB電源とPoEは確立された規格でカバーされており、電源は低電圧で供給されるため、エンドユーザーが機器を本質的に安全に取り扱うことができます。

USB電源仕様

2本のデータライン（D +とD-）、5V DC電源、およびアースを含む通常のUSB 2.0接続は、通常、最大500mAを供給できます。これは、2.5W以下を必要とするエンドポイントに電力を供給するのに十分です。 USB 3.0ポートはこれを増やして最大900mAを提供し、最新のUSBType-C®ポートは5Vで最大1.5Aまたは3.0Aを供給するように構成でき、最大電力を15Wに増やします。

USB Power Delivery（USB PD）は、USBType-Cコネクタのデータラインを使用する別の規格です。これらにより、準拠デバイスは電力供給業者とネゴシエートし、必要な電力量を通信できます。これは、5Aで9Vまたは15V（3A）または20Vであり、USB接続から利用可能な最大電力を100Wに上げます。

パワーオーバーイーサネットタイプ

既存のイーサネットインフラストラクチャは、ネットワーク上の任意の場所に接続されたIoTエンドポイントをサポートし、PoE給電デバイス（PD）として機能しますが、必要な新しい配線は最小限に抑えられます。電源装置（PSE）は、ケーブル内の1つまたは複数のデータペアを使用して電力を供給するように設計されたPoEスイッチやハブなどのデバイスです。イーサネット規格で指定されている最大データ伝送距離は100メートルですが、PoEエクステンダーを挿入してより長い接続を可能にすることができます。

非PoEスイッチからのケーブルに電力を追加するように設計されたPoEインジェクターも利用できます。逆に、PoEスプリッターは、イーサネット回線から電力を分離して、非PoEエンドポイントに専用の電力出力を提供します。

表1に要約されているように、現在数世代のPoE機器が稼働しています。標準のIEEE802.3afとして定義されている第1世代のタイプ1PoEは、PSEによって供給される最大15.4Wの電力バジェットをサポートします。後の802.3atType-2標準であるPoE +は、最大30Wをサポートし、Type 1PDとの下位互換性があります。

最新の802.3bt規格には、最大電力バジェットが60Wのタイプ3、PoE ++（またはUPoE）機器、および100Wタイプ4機器が含まれます。 802.3afと802.3atはCat5 / 5eケーブルで最大2ペアのワイヤを使用しますが、802.3btはCat 6（平衡）ケーブルを必要とし、4ペアのワイヤすべてを使用します。この配置により、ケーブルで消費される電力が大幅に削減され、PDに到達する電力が増えます。さらに、最小許容PD待機電力が引き下げられ、低エネルギー設計のサポートが向上しました。

USBまたはPoEのエンドポイント設計

IEEE標準 PoEタイプ 移植への電力 最大電流 802.3afType 115.4W350mA802.3atType 230W600mA802.3btType 360​​W600mA802.3btType 4100W960mA

表1：PoE規格。

従来のUSB2.0、USB 3.2、またはUSB Type-Cポートは、コネクタの専用電源ラインから直接取得できる比較的安定した5VDC電源を提供します。また、Diodes Incorporated AP61100 5V、1AバックコンバーターなどのDC-DCコンバーターは、USB電源で動作するIoTエンドポイントのこの電力を安定させるための理想的なデバイスです。

PoE給電システムでは、ケーブルペアごとに変圧器が必要です。また、負荷に電力を供給するために、ブリッジ整流器、PDコントローラー、およびDC-DCコンバーターが必要です。 PoEセカンダリDCバスアプリケーションに適したDC-DCコンバータには、ダイオードのAP62200（18V / 2A）およびAP63200（32V / 2A）同期バックコンバータが含まれます。これらは入力電圧範囲が広く、エネルギー効率を最大化するためにオン抵抗が低いハイサイドおよびローサイドMOSFETを備えています。 AP62200シリーズのConstantOn-Time（COT）制御と、AP63200シリーズの統合補償ループを備えたピーク電流モード制御により、外部コンポーネントを最小限に抑えながらパフォーマンスが向上します。

必須の保護

USBは、各デバイスが必要な電力のみを消費するようにするなど、システム管理に役立つ高度な機能を提供します。標準内で定義されたネゴシエーションプロトコルと電力プロファイルにより、電源とエンドポイント間の通信が可能になり、利用可能な電力が最適化されます。

一方、デバイスに電力が供給される前に、ハンドシェイクやデータ交換は行われません。これは、USBの経済性とプラグアンドプレイの簡素化に貢献し、電力が供給されているデバイスの2次電源の要件を排除しますが、障害のリスクがあります。 1つの例は、デバイスが過剰な電力を要求しようとした場合、またはデバイスが短絡を引き起こした場合です。

設計者は、ダイオードAP22811、AP22804、またはAP22814などの電源スイッチを使用してこれらの状況から保護できます。これらのデバイスは、自動回復機能を備えた過電流、短絡、および過熱保護を実装しています。逆電流および逆電圧に対する保護も組み込まれています。最大電流定格は3A、最小オン抵抗は50mΩで、USBポートを保護するための堅牢で効率的な手段を提供します。あるいは、AP22652またはAP22653では、電流制限を最大2.1Aまで調整でき、最大オン抵抗は65mΩです。もう1つのオプションはAP22615（図2）またはAP22815で、最大28Vの過電圧保護を備え、固定および調整可能な電流制限オプションの両方を提供します。

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図2.AP22615は、USB電源デバイスに統合された保護を提供します。 [出典：Diodes Incorporated]

USBスイッチは、電源と負荷の両方を保護するために出力電圧の立ち上がり時間を制御するソフトスタート機能も提供します。追加の安全機能は、電流サージから保護して、誤った障害状態を最小限に抑えます。

高電力PoE

アクセス制御やビデオデバイスなど、高電力を必要とするIoTアプリケーションでは、設計者は、限られたスペースとコストで最適なパフォーマンスを提供するために、電力効率に注意を払う必要があります。電力システムの各段階で効率的なデバイスを選択し、可能な場合は高密度と統合を活用することが重要です。ダイオードのリニアレギュレータのZXTR2000ファミリ（図3）は、PoEアプリケーションを含む48VDC電源システム用に設計されています。これらのレギュレータは、トランジスタ、ツェナーダイオード、および抵抗を1つのパッケージに統合し、コンポーネント数とボードスペース要件を削減します。

図3.XTR200ファミリは、ハイパワーPoEアプリケーション向けの統合ソリューションを提供します。 [出典：Diodes Incorporated]

結論

IoTエンドポイントの設計者は、要求の厳しいアプリケーションのニーズを満たすために、オフライン、ワイヤレス電力伝送、およびバッテリー電力を超えて考えることができるようになりました。 USBやPoEなどの有線規格は、既製のDC-DCコンバータ、レギュレータ、および保護デバイスを活用して、電源の課題を克服するための便利で柔軟なオプションを提供します。

>>この記事はもともと姉妹サイトのPowerElectronicsNews。