유선 데이터 연결을 사용하여 까다로운 IoT 장치에 전원 공급

USB 및 이더넷과 같은 유선 데이터 연결은 오늘날 가장 까다로운 IoT 종단점에 전력을 공급하는 효과적이고 편리한 솔루션을 제공할 수도 있습니다.

IoT 엔드포인트는 일반적으로 크기도 작은 극도로 저전력 장치로 특징지어지며 자체 전원이 공급되거나 수년 동안 코인 셀에서 실행되도록 설계될 수도 있습니다. 실제로 IoT는 스마트 센서, 데이터 로깅 장치, 스마트 빌딩 컨트롤러, 보안 장치(예:침입자 감지기 및 네트워크 카메라) 및 기타 많은 소매, 기업 및 인프라 애플리케이션( 그림 1).

그림 1. IoT 애플리케이션은 더 작은 배터리가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 것을 필요로 하는 장치를 포함하도록 확장되고 있습니다. [출처:Diodes Incorporated]

이러한 장치 중 상당수는 상당한 에너지를 요구합니다. 작은 배터리로 충족할 수 없는 요구. 네트워크 대기 시간을 줄이고, 개인 정보를 추가하거나, 최종 비용을 낮추기 위해 로컬에서 데이터를 처리하는 강력한 임베디드 프로세서를 특징으로 할 수 있습니다. 여기에는 전체 시스템 전력 요구 사항에 몇 와트를 쉽게 추가할 수 있는 팬-틸트-줌(PTZ) 기능이 있는 카메라와 같은 기계적 하위 시스템이 포함될 수 있습니다. 이러한 애플리케이션에서 소형 배터리는 단순히 최대 시스템 전력 수요를 충족할 수 없거나 원하는 런타임을 제공하기에 불충분한 용량을 제공하여 주기적인 교체를 초래합니다.

더 큰 배터리를 고려할 수 있지만 전체 크기, 무게 및 BOM도 증가합니다. 가능한 경우 가까운 AC 라인에서 전원을 공급받으면 배터리가 필요하지 않지만, 이는 장치 내부의 AC-DC 전력 변환과 함께 추가 전원 케이블을 도입하여 추가 복잡성을 생성합니다. 이러한 설계 복잡성은 외부 전원 어댑터를 사용하여 해결할 수 있지만 추가 비용은 해결되지 않습니다.

유선 USB 또는 이더넷 연결이 끝점에 포함된 경우 설계자는 각각의 전원 공급 기능을 활용할 수 있습니다. PoE(Power over Ethernet) 및 USB 전원 공급은 전원 및 데이터에 동일한 케이블을 사용하므로 배터리 및 AC 전원과 관련된 단점을 피할 수 있습니다. USB 전원 및 PoE는 확립된 표준의 적용을 받으며 전원은 저전압으로 공급되므로 최종 사용자가 취급할 수 있는 본질적으로 안전한 장비입니다.

USB 전원 사양

2개의 데이터 라인(D+ 및 D-), 5V DC 전원 및 접지를 포함하는 일반 USB 2.0 연결은 일반적으로 최대 500mA를 공급할 수 있습니다. 이는 2.5W 이하가 필요한 엔드포인트에 전력을 공급하기에 충분합니다. USB 3.0 포트는 이를 증가시켜 최대 900mA를 제공하며 최신 USB Type-C® 포트는 5V에서 최대 1.5A 또는 3.0A를 공급하도록 구성할 수 있어 최대 전력을 15W로 증가시킵니다.

USB PD(USB Power Delivery)는 USB Type-C 커넥터의 데이터 라인을 사용하는 별도의 표준입니다. 이를 통해 호환 장치는 전력 공급업체와 협상하여 필요한 전력량을 알릴 수 있습니다. 이것은 5A에서 9V 또는 15V(3A) 또는 20V일 수 있으며 USB 연결에서 사용 가능한 최대 전력을 100W로 높입니다.

Power over Ethernet 유형

기존 이더넷 인프라는 네트워크의 어느 지점에나 연결된 IoT 엔드포인트를 지원할 수 있으며 PoE 전원 공급 장치(PD)로 기능하면서 최소한의 새 배선만 있으면 됩니다. 전원 공급 장비(PSE)는 케이블의 데이터 쌍 중 하나 이상을 사용하여 전원을 공급하도록 설계된 PoE 스위치 또는 허브와 같은 장치일 수 있습니다. 이더넷 표준에 명시된 최대 데이터 전송 거리는 100미터이지만 더 긴 연결을 위해 PoE 확장기를 삽입할 수 있습니다.

PoE가 아닌 스위치에서 나오는 케이블에 전원을 추가하도록 설계된 PoE 인젝터도 사용할 수 있습니다. 반대로 PoE 스플리터는 이더넷 라인에서 전원을 분리하여 PoE가 아닌 엔드포인트에 전용 전원 출력을 제공합니다.

여러 세대의 PoE 장비가 현재 사용 중이며 표 1에 요약되어 있습니다. 표준 IEEE 802.3af로 정의된 1세대 Type 1 PoE는 PSE에서 공급하는 최대 15.4W의 전력 예산을 지원합니다. 최신 802.3at Type-2 표준인 PoE+는 최대 30W를 지원하며 Type 1 PD와 역호환됩니다.

최신 802.3bt 표준에는 최대 전력 예산이 60W인 Type-3, PoE++(또는 UPoE) 장비와 100W Type-4 장비가 포함됩니다. 802.3af 및 802.3at은 Cat 5/5e 케이블에서 최대 2쌍의 전선을 사용하는 반면, 802.3bt는 Cat 6(균형) 케이블을 요구하고 4쌍의 전선을 모두 사용합니다. 이 배열은 케이블에서 소비되는 전력을 크게 줄여 PD에 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 최소 허용 PD 대기 전력이 낮아져 저에너지 설계에 대한 지원이 향상되었습니다.

USB 또는 PoE용 엔드포인트 설계

IEEE 표준 PoE 유형 포트에 전원 최대 전류 802.3af유형 115.4W350mA802.3at유형 230W600mA802.3bt유형 360W600mA802.3bt유형 4100W960mA

표 1:PoE 표준.

기존 USB 2.0, USB 3.2 또는 USB Type-C 포트는 커넥터의 전용 전원 라인에서 직접 가져올 수 있는 비교적 안정적인 5V DC 공급을 제공합니다. Diodes Incorporated AP61100 5V, 1A 벅 컨버터와 같은 DC-DC 컨버터는 USB 전원에서 작동하는 IoT 종단점에 대해 이 전원을 안정화하는 데 이상적인 장치입니다.

PoE 전원 시스템에서는 각 케이블 쌍에 대해 변압기가 필요하며 브리지 정류기, PD 컨트롤러 및 부하에 전원을 공급하는 DC-DC 컨버터가 필요합니다. PoE 보조 DC 버스 애플리케이션에 적합한 DC-DC 컨버터에는 Diodes의 AP62200(18V/2A) 및 AP63200(32V/2A) 동기식 벅 컨버터가 있습니다. 이 제품은 입력 전압 범위가 넓고 온 저항이 낮은 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET을 갖추고 있어 에너지 효율성을 극대화합니다. AP62200 시리즈의 COT(Constant On-Time) 제어와 AP63200 시리즈의 통합 보상 루프가 있는 피크 전류 모드 제어는 외부 구성 요소를 최소화하면서 향상된 성능을 제공합니다.

필수 보호

USB는 각 장치가 필요한 전력만 사용하도록 하는 등 시스템 관리에 도움이 되는 정교한 기능을 제공합니다. 표준 내에서 정의된 협상 프로토콜 및 전원 프로필을 통해 전원과 엔드포인트 간의 통신을 통해 사용 가능한 전원을 최적화할 수 있습니다.

반면에 장치에 전원이 공급되기 전에 핸드셰이크 또는 데이터 교환이 없습니다. 이는 USB의 경제성과 플러그 앤 플레이 단순성에 기여하고 전원이 공급되는 장치의 2차 전원에 대한 요구 사항을 제거하지만 오류의 위험이 있을 수 있습니다. 한 가지 예는 장치가 너무 많은 전력을 요구하거나 단락을 일으키는 경우입니다.

설계자는 다이오드 AP22811, AP22804 또는 AP22814와 같은 전원 스위치를 사용하여 이러한 상황으로부터 보호할 수 있습니다. 이 장치는 자동 복구를 통해 과전류, 단락 및 과열 보호를 구현합니다. 역전류 및 전압에 대한 보호 기능도 내장되어 있습니다. 최대 정격 전류 3A 및 최소 온 저항 50mΩ으로 USB 포트를 보호하는 강력하고 효율적인 수단을 제공합니다. 또는 AP22652 또는 AP22653을 사용하면 최대 2.1A까지 전류 제한을 조정할 수 있으며 최대 온 저항은 65mΩ입니다. 또 다른 옵션은 최대 28V의 과전압 보호 기능이 있고 고정 및 조정 가능한 전류 제한 옵션을 모두 제공하는 AP22615(그림 2) 또는 AP22815입니다.

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그림 2. AP22615는 USB 전원 장치에 대한 통합 보호 기능을 제공합니다. [출처:Diodes Incorporated]

USB 스위치는 소스와 부하를 모두 보호하기 위해 출력 전압 상승 시간을 제어하는 ​​소프트 스타트 기능도 제공합니다. 추가 안전 기능은 전류 서지로부터 보호하여 잘못된 오류 조건을 최소화합니다.

고출력 PoE

액세스 제어 또는 비디오 장치와 같이 고전력을 요구하는 IoT 애플리케이션에서 설계자는 제한된 공간과 비용으로 최적의 성능을 제공하기 위해 전력 효율성을 주시해야 합니다. 전력 시스템의 각 단계에서 효율적인 장치를 선택하고 가능한 한 고밀도 및 통합을 활용하는 것이 중요합니다. Diodes의 ZXTR2000 선형 조정기 제품군(그림 3)은 PoE 애플리케이션을 포함한 48V DC 전원 시스템용으로 설계되었습니다. 이 레귤레이터는 트랜지스터, 제너 다이오드 및 저항을 단일 패키지에 통합하여 구성 요소 수와 보드 공간 요구 사항을 줄입니다.

그림 3. XTR200 제품군은 고전력 PoE 애플리케이션을 위한 통합 솔루션을 제공합니다. [출처:Diodes Incorporated]

결론

IoT 엔드포인트 설계자는 이제 오프라인, 무선 전력 전송 및 배터리 전원을 넘어 까다로운 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. USB 및 PoE와 같은 유선 표준은 기성 DC-DC 컨버터, 조정기 및 보호 장치를 활용하여 전원 공급 문제를 극복할 수 있는 편리하고 유연한 옵션을 제공합니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 Power Electronics News.