USBとPoEで高需要IoTデバイスに電力供給

USBやEthernetなどの有線データリンクは、データを配信するだけでなく、今日の最も要求の厳しいIoTエンドポイントにも信頼性の高い電力を供給します。

多くのIoTデバイスは低電力・コンパクトなユニットとして設計され、コインセルやバッテリーで動作しますが、スペクトルは今やスマートセンサー、データロガー、ビルコントローラー、セキュリティカメラ、多数のエンタープライズおよびインフラストラクチャアプリケーションを含むまでに拡大しています。

図1. IoTアプリケーションは、小型バッテリーでは供給できないデバイスを含むよう拡大中。[出典: Diodes Incorporated]

これらの新しいエンドポイントは、多くの場合、強力な組み込みプロセッサ、ローカルデータ処理、またはPTZカメラのような機械サブシステムを備え、数ワットを消費します。これは小型バッテリーの容量を超えます。バッテリーのみではピーク電力需要を満たせないか、頻繁な交換が必要となり、信頼性とコストを損ないます。

より大容量バッテリーを導入すると、サイズ、重量、BOMが増加します。近くのACラインから電力を引くとバッテリーは不要になりますが、追加ケーブル、AC-DC変換、さらなる複雑さが加わります。外部電源アダプタを使用してもコストが上昇します。

有線USBまたはEthernetインターフェースを組み込むことで、設計者は内蔵の電力供給機能を活用できます。Power over Ethernet（PoE）とUSB Power Delivery（USB-PD）は、同じケーブルでデータと電力の両方を伝送し、バッテリーとAC配線の欠点を排除しながら低電圧安全性を維持します。

USB電力仕様

通常のUSB 2.0ポートは5Vで最大500mA、2.5W以下に十分です。USB 3.0では900mAに向上し、最新のUSB Type-Cでは5Vで1.5Aまたは3.0A、最大15Wを供給可能です。USB-PDはより高い電圧（9V、15V（3A）、20V（5A））をネゴシエートし、最大100Wの電力を提供します。

Power over Ethernetのタイプ

既存のEthernetインフラストラクチャは、ネットワーク上のどこにでもIoTエンドポイントをPoE受電デバイス（PD）としてサポートでき、最小限の新規配線で済みます。電力供給装置（PSE）は、1つ以上のデータペアを介して電力を注入するPoEスイッチまたはハブです。標準の100メートルデータ制限が適用されますが、PoEエクステンダーで到達距離を延長できます。

PoEインジェクタは非PoEスイッチからのケーブルに電力を追加し、PoEスプリッタは非PoEエンドポイント向けに電力を抽出します。

PoEには複数の世代があり、表1にまとめられています。Type-1（IEEE 802.3af）は最大15.4W、Type-2（802.3at）は最大30W、Type-3（802.3bt）は最大60W、Type-4（802.3bt）は最大100Wをサポート。802.3af/atはCat 5/5eの2ペアを使用しますが、802.3btはCat 6と全4ペアを必要とし、ケーブル損失を減らしより高い電力供給を可能にします。

IEEE規格	PoEタイプ	ポート電力	最大電流
802.3af	Type 1	15.4 W	350 mA
802.3at	Type 2	30 W	600 mA
802.3bt	Type 3	60 W	600 mA
802.3bt	Type 4	100 W	960 mA

表1: PoE規格。

従来のUSB 2.0、USB 3.2、USB Type-Cポートは、コネクタの専用電力ラインから直接取れる安定した5V DC電源を提供します。Diodes IncorporatedのAP61100 5V、1AバックコンバータのようなDC-DCコンバータが、この電力をIoTエンドポイント向けに安定化します。

PoE駆動システムでは、各ケーブルペアにトランスフォーマー、ブリッジ整流器、PDコントローラー、DC-DCコンバータが必要で、負荷に電力を供給します。適切なDC-DCコンバータには、DiodesのAP62200（18V/2A）とAP63200（32V/2A）同期整流バックコンバータがあり、広い入力範囲と低オン抵抗MOSFETで最大効率を実現します。AP62200シリーズはConstant On-Time制御を、AP63200シリーズは統合補償ループを備えたピーク電流モード制御を採用し、外部部品を削減します。

必須の保護

USBの洗練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、各デバイスは必要な分だけを取得し、電力使用を最適化できます。しかし、PoEとは異なり、USBは電力印加前のハンドシェイクを提供しないため、過電流や短絡などの潜在的故障にデバイスがさらされます。

設計者は堅牢な保護デバイスでこれらのリスクを軽減できます。DiodesのAP22811、AP22804、AP22814は、過電流、短絡、過温度保護に自動復帰、逆電流/電圧保護、最大3A定格電流、50mΩオン抵抗を提供。AP22652/53は電流制限を最大2.1Aまで調整可能。AP22615（図2）とAP22815は、固定または調整可能な電流制限で最大28Vの過電圧保護を提供します。

図2. AP22615がUSB駆動デバイスに統合保護を提供。[出典: Diodes Incorporated]

USBスイッチはソフトスタート機能も備え、出力電圧立ち上がり時間を制御してソースと負荷の両方を保護し、電流サージから守る追加の安全対策も装備しています。

高電力PoE

アクセス制御や高解像度ビデオのようなアプリケーションは、狭いスペースで動作しながら大電力を必要とします。電力チェーンの各段階で効率的なコンポーネントを選択し、高密度統合を活用することが、最適な性能とコストに不可欠です。

DiodesのZXTR2000ファミリーのリニアレギュレータ（図3）は、48V DC PoEシステム向けに調整されています。トランジスタ、ツェナーダイオード、抵抗を単一パッケージに統合することで、これらのレギュレータは部品点数とボード面積を削減します。

図3. XTR2000ファミリーが高電力PoEアプリケーション向け統合ソリューションを提供。[出典: Diodes Incorporated]

結論

IoT設計者は今や、バッテリーベースまたはワイヤレス電力ソリューションの強力な代替手段を持っています。標準化された有線プロトコル（USBとPoE）を、実証済みのDC-DCコンバータ、レギュレータ、保護ICとともに活用することで、高性能エンドポイントのエネルギー需要を満たしながら、安全性、信頼性、コスト効率を維持できます。

>> この記事は元々姉妹サイトPower Electronics Newsで公開されました。