Uso de conexiones de datos por cable para alimentar dispositivos de IoT exigentes

Las conexiones de datos por cable, como USB y Ethernet, también pueden ofrecer una solución eficaz y conveniente para suministrar energía a los puntos finales de IoT más exigentes de la actualidad.

Los puntos finales de IoT se caracterizan típicamente por ser dispositivos de muy bajo consumo de energía que también son de tamaño pequeño, y también pueden ser autoalimentados o diseñados para funcionar desde una celda de botón durante muchos años. En realidad, IoT comprende una mayor diversidad de tipos de dispositivos, incluidos sensores inteligentes, dispositivos de registro de datos, controladores de edificios inteligentes, dispositivos de seguridad (como detectores de intrusos y cámaras en red) y muchas otras aplicaciones de infraestructura, empresas y minoristas ( Figura 1).

Figura 1. Las aplicaciones de IoT se están expandiendo para abarcar dispositivos que requieren más de lo que las baterías más pequeñas pueden ofrecer. [Fuente:Diodes Incorporated]

Muchos de estos dispositivos vienen con importantes demandas de energía; necesidades que no pueden satisfacerse con una pequeña batería. Pueden presentar un potente procesador integrado para manejar datos localmente para reducir la latencia de la red, agregar privacidad o simplemente reducir el costo final. Pueden incluir un subsistema mecánico, como una cámara con capacidad de giro, inclinación y zoom (PTZ), que puede agregar fácilmente varios vatios a los requisitos totales de energía del sistema. En estas aplicaciones, una batería pequeña simplemente no podría satisfacer la demanda máxima de energía del sistema o proporcionaría una capacidad insuficiente para brindar el tiempo de ejecución deseado, lo que resultaría en un reemplazo periódico.

Se podría considerar una batería más grande, pero eso también aumentaría el tamaño, el peso y la lista de materiales en general. Tomar energía de una línea de CA cercana, si está disponible, eliminaría la necesidad de una batería, pero esto introduce un cable de alimentación adicional junto con la conversión de energía CA-CC dentro del dispositivo, creando una complejidad adicional. Si bien esta complejidad de diseño se puede abordar con un adaptador de alimentación externo, no abordaría el gasto adicional.

Si se incluye una conexión USB o Ethernet con cable en el punto final, el diseñador puede aprovechar sus respectivas funciones de suministro de energía. La alimentación a través de Ethernet (PoE) y la entrega de energía USB utilizan el mismo cable para la alimentación, así como para los datos, y así evitan los inconvenientes asociados con las baterías y la alimentación de CA. La alimentación USB y PoE están cubiertos por los estándares establecidos y la alimentación se entrega a bajos voltajes, lo que hace que el equipo sea intrínsecamente seguro para que lo maneje el usuario final.

Especificaciones de alimentación USB

Una conexión USB 2.0 ordinaria, que contiene dos líneas de datos (D + y D-), un suministro de 5 V CC y tierra, normalmente puede suministrar hasta 500 mA. Esto es suficiente para alimentar un punto final que requiera 2,5 W o menos. Un puerto USB 3.0 aumenta esto, proporcionando hasta 900mA, mientras que el último puerto USB Type-C® se puede configurar para suministrar hasta 1.5A o 3.0A a 5V, aumentando la potencia máxima a 15W.

USB Power Delivery (USB PD) es un estándar independiente que utiliza líneas de datos en el conector USB Type-C. Estos permiten que los dispositivos compatibles negocien con el proveedor de energía, comunicando cuánta energía necesitan. Puede ser de 9 V o 15 V (3 A) o 20 V a 5 A, lo que aumenta la potencia máxima disponible de una conexión USB a 100 W.

Tipos de alimentación a través de Ethernet

La infraestructura Ethernet existente puede admitir un punto final de IoT conectado en cualquier punto de la red, que funciona como un dispositivo alimentado por PoE (PD), mientras que solo requiere un cableado nuevo mínimo, si corresponde. El equipo de suministro de energía (PSE) puede ser un dispositivo como un conmutador o concentrador PoE diseñado para suministrar energía usando uno o más de los pares de datos en el cable. La distancia máxima de transmisión de datos especificada en el estándar Ethernet es de 100 metros, pero se puede insertar un extensor PoE para permitir conexiones más largas.

También están disponibles los inyectores PoE, que están diseñados para agregar energía a los cables que provienen de un conmutador que no es PoE. Por el contrario, los divisores PoE separan la energía de las líneas Ethernet para proporcionar una salida de energía dedicada para un punto final sin PoE.

Actualmente hay varias generaciones de equipos PoE en servicio, que se resumen en la Tabla 1. La primera generación, PoE Tipo 1, definida como el estándar IEEE 802.3af, admite un presupuesto de energía de hasta 15,4 W, suministrado por el PSE. El último estándar 802.3at Tipo 2, PoE +, admite hasta 30 W y es compatible con versiones anteriores de PD Tipo 1.

El último estándar 802.3bt abarca equipos de tipo 3, PoE ++ (o UPoE), con un presupuesto máximo de energía de 60 W, así como equipos de 100 W de tipo 4. Mientras que 802.3af y 802.3at usan un máximo de dos pares de cables en un cable Cat 5 / 5e, 802.3bt requiere un cable Cat 6 (balanceado) y usa los cuatro pares de cables. Esta disposición reduce en gran medida la potencia disipada en el cable, lo que permite que llegue más potencia al PD. Además, se ha reducido la potencia de reserva de DP mínima permitida, lo que mejora la compatibilidad con diseños de baja energía.

Diseño de terminales para USB o PoE

Estándar IEEE Tipo de PoE Energía al puerto Corriente máxima 802.3af Tipo 115.4W350mA802.3atTipo 230W600mA802.3btTipo 360W600mA802.3btTipo 4100W960mA

Tabla 1:Estándares de PoE.

Un puerto USB 2.0, USB 3.2 o USB Type-C convencional proporciona una fuente de alimentación de 5 V CC relativamente estable que se puede tomar directamente de las líneas eléctricas dedicadas en el conector. Un convertidor CC-CC, como el convertidor reductor Diodes Incorporated AP61100 5V, 1A, es un dispositivo ideal para estabilizar esta potencia para terminales de IoT que operan desde un suministro USB.

En un sistema alimentado por PoE, se requiere un transformador para cada par de cables, así como un puente rectificador, un controlador PD y un convertidor CC-CC para alimentar la carga. Los convertidores CC-CC adecuados para aplicaciones de bus CC secundario PoE incluyen convertidores reductores síncronos AP62200 (18V / 2A) y AP63200 (32V / 2A) de Diodes. Estos tienen un amplio rango de voltaje de entrada y cuentan con MOSFET de lado alto y lado bajo con baja resistencia para maximizar la eficiencia energética. El control de tiempo de activación constante (COT) en la serie AP62200 y el control de modo de corriente pico con bucle de compensación integrado en la serie AP63200 ofrecen un rendimiento mejorado y minimizan los componentes externos.

Protección esencial

USB proporciona funciones sofisticadas que ayudan con la administración del sistema, como garantizar que cada dispositivo tome solo la energía que necesita. Los protocolos de negociación y los perfiles de energía definidos dentro del estándar permiten la comunicación entre las fuentes de energía y los puntos finales para optimizar la energía disponible.

Por otro lado, no hay apretón de manos ni intercambio de datos antes de que se aplique energía a un dispositivo. Si bien esto contribuye a la economía y la simplicidad plug-and-play de USB, eliminando cualquier requisito de una fuente de alimentación secundaria en el dispositivo que se está alimentando, puede haber riesgo de fallas. Un ejemplo es si un dispositivo intenta demandar demasiada energía o si presenta un cortocircuito.

Los diseñadores pueden protegerse contra estas situaciones mediante el uso de un interruptor de encendido, como los diodos AP22811, AP22804 o AP22814. Estos dispositivos implementan protección contra sobrecorriente, cortocircuito y sobrecalentamiento con recuperación automática. La protección contra la corriente y el voltaje inversos también está incorporada. Con una clasificación de corriente máxima de 3 A y una resistencia de encendido mínima de 50 mΩ, proporcionan un medio robusto y eficiente para proteger los puertos USB. Alternativamente, el AP22652 o AP22653 permite que el límite de corriente se ajuste hasta un máximo de 2.1A y tiene una resistencia de encendido máxima de 65mΩ. Otra opción es el AP22615 (Figura 2) o AP22815, que cuentan con protección contra sobretensión de hasta 28 V y ofrecen opciones de límite de corriente fijo y ajustable.

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Figura 2. El AP22615 proporciona protección integrada para dispositivos alimentados por USB. [Fuente:Diodes Incorporated]

Los interruptores USB también proporcionan una función de arranque suave, que controla el tiempo de aumento del voltaje de salida para proteger tanto la fuente como la carga. Una característica de seguridad adicional protege contra sobrecargas de corriente para minimizar las falsas condiciones de falla.

PoE de mayor potencia

En las aplicaciones de IoT que exigen alta potencia, como el control de acceso o los dispositivos de video, los diseñadores deben vigilar la eficiencia energética para ofrecer un rendimiento óptimo por un espacio y un costo limitados. Es importante elegir dispositivos eficientes en cada etapa del sistema de energía y aprovechar la alta densidad y la integración cuando sea posible. La familia de reguladores lineales ZXTR2000 de Diodes (Figura 3) está diseñada para sistemas de alimentación de 48 V CC, incluidas las aplicaciones PoE. Estos reguladores integran un transistor, un diodo Zener y una resistencia en un solo paquete, lo que reduce la cantidad de componentes y los requisitos de espacio en la placa.

Figura 3. La familia XTR200 ofrece una solución integrada para aplicaciones PoE de alta potencia. [Fuente:Diodes Incorporated]

Conclusión

Los diseñadores de terminales de IoT ahora pueden pensar más allá de la transferencia de energía inalámbrica y fuera de línea y la energía de la batería para satisfacer las necesidades de aplicaciones exigentes. Los estándares cableados como USB y PoE ofrecen opciones convenientes y flexibles para superar los desafíos del suministro de energía, aprovechando los convertidores CC-CC, reguladores y dispositivos de protección disponibles en el mercado.

>> Este artículo se publicó originalmente el nuestro sitio hermano, Power Electronics News.