Uso de conexões de dados com fio para alimentar dispositivos IoT exigentes

Conexões de dados com fio, como USB e Ethernet, também podem oferecer uma solução eficaz e conveniente para fornecer energia para os terminais IoT mais exigentes de hoje.

Os terminais de IoT são tipicamente caracterizados como dispositivos de consumo extremamente baixo que também são pequenos em tamanho e também podem ser autoalimentados ou projetados para funcionar a partir de uma célula tipo moeda por muitos anos. Na realidade, a IoT compreende uma maior diversidade de tipos de dispositivos, incluindo sensores inteligentes, dispositivos de registro de dados, controladores de edifícios inteligentes, dispositivos de segurança (como detectores de intrusão e câmeras em rede) e muitos outros aplicativos de varejo, corporativos e de infraestrutura ( Figura 1).

Figura 1. Os aplicativos IoT estão se expandindo para abranger dispositivos que requerem mais do que baterias menores podem fornecer. [Fonte:Diodos Incorporated]

Muitos desses dispositivos vêm com demandas de energia significativas; necessidades que não podem ser satisfeitas por uma pequena bateria. Eles podem apresentar um poderoso processador embutido para lidar com dados localmente para reduzir a latência da rede, adicionar privacidade ou apenas diminuir o custo final. Eles podem incluir um subsistema mecânico, como uma câmera com capacidade de pan-tilt-zoom (PTZ), que pode facilmente adicionar vários Watts aos requisitos totais de energia do sistema. Nessas aplicações, uma bateria pequena seria simplesmente incapaz de satisfazer a demanda de energia de pico do sistema ou forneceria capacidade insuficiente para fornecer o tempo de execução desejado, resultando em substituição periódica.

Uma bateria maior poderia ser considerada, mas isso também aumentaria o tamanho geral, o peso e a lista de materiais. Tirar energia de uma linha CA próxima, se disponível, eliminaria a necessidade de bateria, mas isso introduz um cabo de energia adicional junto com a conversão de energia CA-CC dentro do dispositivo, criando complexidade extra. Embora essa complexidade de design possa ser tratada com um adaptador de energia externo, ela não resolveria as despesas adicionais.

Se uma conexão USB ou Ethernet com fio for incluída no terminal, o projetista pode tirar proveito de seus respectivos recursos de entrega de energia. O fornecimento de energia Power over Ethernet (PoE) e USB usa o mesmo cabo para alimentação, bem como para dados, evitando assim as desvantagens associadas às baterias e à alimentação CA. A alimentação USB e PoE são cobertas por padrões estabelecidos e a alimentação é fornecida em baixas tensões, tornando o equipamento intrinsecamente seguro para o usuário final manusear.

Especificações de alimentação USB

Uma conexão USB 2.0 comum, que contém duas linhas de dados (D + e D-), uma fonte de alimentação de 5 Vcc e aterramento, normalmente é capaz de fornecer até 500 mA. Isso é suficiente para alimentar um endpoint que requer 2,5 W ou menos. Uma porta USB 3.0 aumenta isso, fornecendo até 900mA, enquanto a porta USB Type-C® mais recente pode ser configurada para fornecer até 1,5A ou 3,0A a 5V, aumentando a potência máxima para 15W.

O USB Power Delivery (USB PD) é um padrão separado que usa linhas de dados no conector USB Type-C. Isso permite que dispositivos compatíveis negociem com o fornecedor de energia, comunicando quanta energia eles precisam. Pode ser 9 V ou 15 V (3 A) ou 20 V a 5 A, aumentando a potência máxima disponível de uma conexão USB para 100 W.

Tipos de Power over Ethernet

A infraestrutura Ethernet existente pode suportar um ponto de extremidade IoT conectado em qualquer ponto da rede, funcionando como um dispositivo alimentado por PoE (PD), embora necessite apenas de uma nova fiação mínima, se houver. O equipamento de fonte de alimentação (PSE) pode ser um dispositivo como um switch PoE ou hub projetado para fornecer energia usando um ou mais pares de dados no cabo. A distância máxima de transmissão de dados especificada no padrão Ethernet é 100 metros, mas um extensor PoE pode ser inserido para permitir conexões mais longas.

Os injetores PoE, que são projetados para adicionar energia aos cabos vindos de um switch não PoE, também estão disponíveis. Por outro lado, os divisores PoE separam a energia das linhas Ethernet para fornecer uma saída de energia dedicada para um endpoint não PoE.

Várias gerações de equipamentos PoE estão atualmente em serviço, resumidas na Tabela 1. A primeira geração, PoE Tipo 1, definida como o padrão IEEE 802.3af, suporta um orçamento de energia de até 15,4W, fornecido pelo PSE. O padrão 802.3at Tipo-2 posterior, PoE +, suporta até 30W e é compatível com versões anteriores com PDs Tipo 1.

O padrão 802.3bt mais recente abrange equipamentos Tipo-3, PoE ++ (ou UPoE), com um orçamento de energia máximo de 60W, bem como equipamentos Tipo-4 de 100W. Enquanto 802.3af e 802.3at usam no máximo dois pares de fios no cabo Cat 5 / 5e, o 802.3bt exige um cabo Cat 6 (balanceado) e usa todos os quatro pares de fios. Esse arranjo reduz bastante a potência dissipada no cabo, permitindo que mais potência chegue ao PD. Além disso, a energia de espera PD mínima permitida foi reduzida, melhorando o suporte para projetos de baixo consumo de energia.

Design de terminal para USB ou PoE
Padrão IEEE Tipo PoE Energia para bombear Corrente máxima 802.3afType 115.4W350mA802.3atType 230W600mA802.3btType 360W600mA802.3btType 4100W960mA
Tabela 1:Padrões PoE.

Uma porta USB 2.0, USB 3.2 ou USB Type-C convencional fornece uma fonte de alimentação 5 V DC relativamente estável que pode ser obtida diretamente de linhas de alimentação dedicadas no conector. Um conversor DC-DC, como o conversor Diodes Incorporated AP61100 5V, 1A Buck, é um dispositivo ideal para estabilizar essa energia para terminais IoT operando a partir de uma fonte USB.

Em um sistema alimentado por PoE, um transformador é necessário para cada par de cabo, bem como uma ponte retificadora, um controlador PD e um conversor DC-DC para alimentar a carga. Os conversores DC-DC adequados para aplicações de barramento DC secundário PoE incluem os conversores buck síncronos AP62200 (18V / 2A) e AP63200 (32V / 2A) da Diodes. Eles têm uma ampla faixa de tensão de entrada e apresentam MOSFETs de lado alto e baixo com baixa resistência para maximizar a eficiência energética. O controle Constant On-Time (COT) na série AP62200 e o controle do modo de corrente de pico com loop de compensação integrado na série AP63200 oferecem desempenho aprimorado enquanto minimizam os componentes externos.

Proteção Essencial

O USB oferece recursos sofisticados que ajudam no gerenciamento do sistema, como garantir que cada dispositivo consuma apenas a energia necessária. Os protocolos de negociação e os perfis de energia definidos no padrão permitem a comunicação entre as fontes de energia e os terminais para otimizar a energia disponível.

Por outro lado, não há handshake ou troca de dados antes que a alimentação seja aplicada a um dispositivo. Embora isso contribua para a economia e a simplicidade plug-and-play do USB, eliminando qualquer necessidade de uma fonte de alimentação secundária no dispositivo que está sendo alimentado, pode haver o risco de falhas. Um exemplo é se um dispositivo tenta demandar muita energia ou introduz um curto-circuito.

Os projetistas podem se proteger contra essas situações usando um botão liga / desliga, como Diodos AP22811, AP22804 ou AP22814. Esses dispositivos implementam proteção contra sobrecorrente, curto-circuito e superaquecimento com recuperação automática. A proteção contra corrente e tensão reversas também está integrada. Com uma classificação de corrente máxima de 3A e resistência mínima de 50mΩ, eles fornecem um meio robusto e eficiente de proteger as portas USB. Alternativamente, o AP22652 ou AP22653 permite que o limite de corrente seja ajustado até um máximo de 2.1A e tem uma resistência máxima de 65mΩ. Outra opção é o AP22615 (Figura 2) ou AP22815, que apresentam proteção contra sobretensão de até 28 V e fornecem opções de limite de corrente fixa e ajustável.

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Figura 2. O AP22615 fornece proteção integrada para dispositivos alimentados por USB. [Fonte:Diodos Incorporated]

Os interruptores USB também fornecem uma função de partida suave, que controla o tempo de aumento da tensão de saída para proteger a fonte e a carga. Um recurso de segurança adicional protege contra picos de corrente para minimizar falsas condições de falha.

PoE de maior potência

Em aplicativos IoT que exigem alta potência, como controle de acesso ou dispositivos de vídeo, os designers precisam ficar de olho na eficiência de energia para fornecer desempenho ideal por um espaço e custo limitados. É importante escolher dispositivos eficientes em cada estágio do sistema de energia e aproveitar as vantagens da alta densidade e integração sempre que possível. A família ZXTR2000 da Diodes de reguladores lineares (Figura 3) é projetada para sistemas de energia 48 Vcc, incluindo aplicações PoE. Esses reguladores integram um transistor, diodo Zener e resistor em um único pacote, o que reduz a contagem de componentes e os requisitos de espaço da placa.

Figura 3. A família XTR200 oferece uma solução integrada para aplicações PoE de alta potência. [Fonte:Diodos Incorporated]

Conclusão

Os projetistas de terminais IoT agora podem pensar além da transferência de energia sem fio, off-line e energia da bateria para atender às necessidades de aplicativos exigentes. Os padrões com fio, como USB e PoE, oferecem opções convenientes e flexíveis para superar os desafios da fonte de alimentação, aproveitando conversores DC-DC, reguladores e dispositivos de proteção disponíveis no mercado.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Power Electronics News.