隨著物聯網應用的提升，業界亦不斷改善聯網裝置的供電方式及效率。除了交流電源與電池之外，成熟而普及的USB及PoE也是替代電源的合適選項。
物聯網(IoT)是全球大趨勢之一，每年有數十億台新裝置加入IoT系統之中。這些裝置通常是低成本的感測器，或使用有線/無線連接功能的其他小型端點(圖1)。
圖1 物聯網驅動力與連線因素
當然，每一件聯網的「物件」都需要電力供應，也通常會全天候不間斷地運作，例如智慧電表之類的裝置。由於聯網裝置數量繁多，因此電源元件和電纜占去物聯網系統甚大比例的整體成本。尤其物聯網常常包含遠端監視和控制裝置，這些裝置可能難以取得電力，或者供電成本過於高昂。而這些物聯網裝置也可能部署在很難進行維護的位置，例如埋在地下的量表等。
在這些使用情況中，若還要從現有的AC電源提供電力，可能有些不切實際。很明顯地，電池會是一個替代方案，但這也代表必須承擔更換一次性的不可充電電池，或為蓄電池充電的成本和不便。對於多數使用案例，人們會希望物聯網裝置可以盡量多撐幾年，甚至數十年都不用去理它或進行維護。因此，每隔幾年更換電池也是不實際的做法，況且充電也可能既困難又昂貴。
既然交流電源和電池都不實用，又有什麼其他方法可以幫物聯網節點供電呢？在本文中，將討論物聯網裝置替代電源的可用選項，以及如何實際運用這些技術。
物聯網節點的電源需求
好消息是，現今物聯網裝置的電力需求通常可降至極低。一件典型的物聯網裝置可能包含感測器、微控制器或處理器、部分的記憶體，以及無線或有線的通訊介面。近來削減整體系統耗電量的成效已大幅進展，例如可以自行處理多數程序的感測器，可以讓主要處理器盡量長時間保持在低耗電的休眠狀態。高效率的電源管理與轉換元件也降低了能源需求。
現今，例如Sigfox、低功耗藍牙(BLE)以及LoRaWAN等無線通訊協定，對於功耗需求也少之又少。許多元件的待機電流也大幅削減。這些有效降低能源需求的進步，對於那些大部分時間處於閒置狀態、偶爾才傳輸資訊的物聯網裝置而言，可說是相當重要。許多已臻完善的技術也已經過最佳化，可將功耗降至非常低的程度。
例如，霍爾效應感測器是根據一項1879年的發明，但在物聯網的動作偵測(如判斷窗戶的啟閉)中仍然扮演著關鍵角色。有業者如Diodes的AH1911/AH1921等低功耗霍爾效應開關，便可以透過小型、堅固的封裝來滿足該需求；至於針對有空間限制的物聯網裝置，具備更小晶片級封裝的AH1892/AH1898霍爾效應開關便可以充分滿足需求。
不過，人們也期望低功耗物聯網裝置同時具有較高的處理能力，尤其許多應用程式的處理範圍已從雲端轉移到「邊緣」或物聯網裝置本身；因此較低的延遲和頻寬成本便帶來了更多優勢。這表示效率即使有所改善，但許多應用對物聯網端點電源的需求卻不斷提高。
若要以最高效率和最低功耗來為物聯網晶片組供電，可採用低靜態電流LDO來解決產品應用對於高、低供應電壓的需求。
替代電源延長聯網裝置壽命
能源無所不在，而如今許多物聯網裝置的電源需求已如此之低，於是將環境能源作為主電源便成為一種實用的選擇。這表示太陽能和無線能源採集等可再生資源正在成為可能的選項。另一種替代選項，是採用通用序列匯流排(USB)和乙太網路供電(PoE)等有線資料連線當作供電管道。
在物聯網端點的周遭環境中，可以利用多種來源產生電力，包括陽光、運動位移或溫差。例如小型直流發電機便可以使用手動按壓或推動開關產生電能，或者小型太陽能電池模組也可以產生足夠的電力為感測器供電。溫差也可以用來發電，無線網路中的RF能量也可以加以利用與採集。能量可以儲存在小型電池、超級電容或電容中，以確保物聯網裝置在黑暗中或能源採集無法產生電力的情況下仍能正常運作。
事實上，超級電容或電容可能是較好的選項，因為與電池相比，超級電容或電容可以經歷更多次的充/放電循環也不會因而降低容量，進而延長物聯網裝置壽命。
即使可再生能源和採集提供了一種解決方案，並且尤其適用於無線連接裝置，但仍有許多裝置將透過有線連線傳遞資料或接收指令。對於這些端點而言，一項簡單實惠的選項便是透過這種資料連線供電，以避免獨立專用電源線的成本和複雜性。為此目的，現在已有許多可用產品能夠提供低壓直流電源，例如適用於USB應用的AP61100(5V/1A)降壓轉換器，或適用於PoE輔助DC匯流排應用的AP62200(18V/2A)/AP63200(32V/2A)系列。使用這些裝置可以在端點中避免包括電源轉換器的需求，否則將交流電源轉換為直流匯流排電壓還是需要電源轉換器。
透過有線資料連接為物聯網裝置供電
USB標準是最常見的選擇之一，這種裝置已幾乎普遍存在於人們周圍數十億的設備中。這種普遍程度代表設計人員可以使用多種USB選項，而經濟規模也把元件成本壓低了。
圖2顯示了USB 2.0的接腳排列，其中有兩個資料連接(D+和D-)，一個5VDC電源和接地。
圖2 USB 2.0接腳
儘管標準中定義的最低要求為100mA，但USB 2.0提供的充電電流通常為500mA，而USB 3.0則可以提供900mA。
對於現今許多低功耗物聯網應用而言，這種功率對於多數需要10W或更低功率的行動裝置而言已經綽綽有餘了。對於監視器螢幕等高功率裝置，若有需要，最新的USB 3.1(USB Type-C)最高也可支援到100W。透過在兩條資料傳輸線上傳送和接收脈衝，便可以在裝置之間協調功率曲線和功率層級的細節。
當然，另一個常見的有線介面便是已成為現今主要網路標準的乙太網路。能夠提供乙太網路供電(PoE)代表僅需要一條電纜線，這已成為低功耗連線設備(例如IP電話)的一種熱門選項。對物聯網而言，乙太網路很可能是提供連接能力一個不錯的選項，也可能比無線功能更強大。 在雙絞線乙太網路電纜上傳輸功率的技術有很多種，其中部分是由最初在2003年發布的IEEE 802.3標準來進行定義。這些替代方案可以透過在每條資料傳輸線上增加一個常用電壓，以在乙太網路資料傳輸線上傳輸電力，或將電力和資料保持在單獨的連接上。
IEEE 802.3標準的最新版本則定義了多種功率傳輸選項，並支援高達100W的電源。這代表可以支援像是LED燈、高效能安全監視攝影機和無線存取點之類的裝置，以及需要高功率的物聯網端點。
USB的實際運用
人們已經十分習慣USB在消費性電子產品的世界中作為一種供電技術，USB也通常能夠取代以前使用多種充電器和電纜的混亂局面。
對於物聯網應用，USB提供了使用上的簡便性，也具有足夠的複雜功能，以在需要時處理像是確保每個裝置僅使用其所需電源等系統管理能力。儘管USB纜線只有四股，但該標準卻定義了協商通訊協定和功率曲線，使電源和端點之間的通訊能夠將電源最佳化。
USB的一項重要設計功能，便是在裝置通電之前不需要進行交握或資料交換。這讓一切都變得簡單、隨插即用，也代表低成本(在裝置內不需輔助電源來為裝置供電)。但這也表示故障的風險確實存在，例如，若裝置試圖要求過大的功率或短路的產生。
為了防範這些風險，設計人員可以使用電源開關來提供過電流、短路和過熱保護，並具有自動回復功能，以及反向電流和電壓的防護功能。 這些裝置可為USB連接埠提供高效率和保護，並能夠提供高達3A的電流，並具有50mΩ的低導通電阻，以大幅降低功率耗損。對於需要可調式電流的應用裝置，AP22652/AP22653可以在65mΩ Rds(on)下提供高達2.1A的電流。如Diodes也提供了AP22615/AP22815，該產品添加可承受28V的過電壓保護功能，並具有固定和可調式的電流限制。該USB開關也提供了緩啟動功能，可確保輸出電壓有合理的上升時間，以保護電源和負載。透過針對任何浪湧電流提供一定程度保護的功能，可將假故障狀態減到最少。
PoE的實際運用
如果現在要觀察實際運用的PoE系統範例，那麼其中一個使用案例，便是在智慧型住宅或辦公室中為LED智慧型燈泡等裝置供電。在這種使用案例中，每盞燈泡透過標準的Cat 5乙太網路電纜連接到PoE開關，並由切換器分配IP位址。
這種安排表示燈泡可以從使用者的電腦或電話上的應用程式進行控制，例如在特定時間開啟或關閉照明，甚至可以回應語音指令。該系統也可以涵蓋環境光線感測器等其他裝置以進行更複雜的控制，例如依據日照程度來進行亮度調節。
同樣，安全監視攝影機也可使用PoE供電，這代表其僅需要一條資料/電源纜線，而不需要兩條獨立的電線，該功能使安裝變得更簡單、方便，也降低成本。
最新版的PoE所提供的高功率足以滿足更高的攝影功能需求，例如高解析度影像擷取、縮放和水平移動。
對於這類更高功率的物聯網應用而言，確保多裝置能夠最佳運作的功率效率仍然非常重要，設計人員也會持續尋求降低成本和節約空間的方法，這就需要在電力系統的每個階段都配備高效率的裝置，並儘可能實現高密度和整合性。
例如，ZXTR2000系列線性穩壓器，便是設計用於48V直流電源系統，例如電信、網路和PoE。該穩壓器將電晶體、齊納二極體和電阻器單片整合到單一封裝中，有助於降低元件數量和電路板空間需求。
物聯網終端供電需考量多項因素
如前所述，物聯網對高效率、低成本電源帶來了新的需求。雖然市電AC電源可能適合某些應用，但是在許多情況下，這種連線成本太高、不方便或根本無法使用。
電池為物聯網終端供電提供了一種替代方法，但它們需要以相對頻繁的間隔進行維護、充電或替換，其使用壽命通常在三到十年之間。對於許多物聯網應用而言，這樣的使用壽命還不夠長，即使有應用的可能，進行維修的成本也會過高。
因此，人們越來越關注為物聯網終端供電的替代方法，而隨著終端變得更高效率且通常具有超低功耗需求，新的可能性也正在出現。在某些使用案例中，這代表能量採集變成一種選項，也就是從光線、運動、溫度或RF能量中產生電能。
但對許多物聯網應用而言，能源採集不是一種實際的做法。這可能是因為該端點的功率需求，比能源採集能提供的電力更高，或者可能沒有方便的能源來源。
因此，對於許多應用中的物聯網端點而言，透過已存在的有線資料連接提供電源是一個很好的解決方案。USB和乙太網路標準都能在支援精密電源傳輸模式的同時保持使用的簡便性，並也可以從多家供應商取得大量具成本效益、經過驗證的元件。
十分關鍵的一點是，在物聯網的設計中，電力不能放在最後才考量。透過與電源管理專家合作，系統設計人員便可以確保他們選擇適合其需求的USB或PoE元件，並可在物聯網裝置的使用壽命內提供高效率、高品質的電力來源。
(本文作者Benjamin Tang為Diodes產品行銷經理；Mingyu Qu為Diodes戰略行銷協理)