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聯網/供電一兼二顧 PoE設計降耗損迎高功率

乙太網路供電(PoE)經現有乙太網路基礎設施提供靈活、可靠且安全的電源來解決這些問題,且自從2003年由IEEE首次發布以來已取得飛躍性的發展。最新的IEEE 802.3bt批准則使其成為市場上的佼佼者,透過Cat5/Cat6電纜提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。 電源功率不斷提升 推進聯網設備規格更新 最初,Type1電源設備或PSE只能提供最高15.4W的功率,Type2增加一倍達到30W。2018年9月發布的Type3和Type4的功率分別達到60W和90W,打開啟用聯網設備世界的大門,這些設備包括無線和蜂巢式基地台、平移傾斜變焦(PZT)和監視器、電視、互動式顯示器和資訊站。單根低壓電纜同時配以專用高速通訊,使布線更少,是物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)的智慧樓宇維護和安裝的理想選擇。 乙太網路供電是有線通訊和供電系統,使用現有的乙太網路為端點設備供電。在這些系統中,電源設備(PSE)經由八根電線提供電源,這些電線布置成四對雙絞線(Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a)電纜,採用RJ45型連接器連接到受電設備(PD)。PSE向端點提供高達57V的電壓。由於該電壓小於60V,因此符合安全特低電壓指令(SELV),使電氣安全並且不需要有資質的電工或掩埋電纜,進而簡化了安裝和維護流程。該標準將每個埠的功率限制為90W,成為乙太網路電纜傳輸的最大功率。 該標準最初定於2017年發布,在正式發布之前不斷更新,以確保與以前的版本相容。PoE最新規範的更新IEEE 802.3bt導入Type3和Type4電源設備和受電設備。為了提供更高的電流,新標準允許同時使用兩種功率模式(模式A和模式B),通常稱為四對或4PPOE,經由四對而不是Type1和Type2供電。添加的三類,即五至八類,具有改進的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來更低的待機功耗,並支援10G-BASE-T和PoE。 PoE設計確保設備電源要素 設計受電設備時,要考慮許多功能,包括運作模式、PD檢測和分類。為了避免損壞非PoE的設備,PSE必須在提供電源之前檢測是否已連接受電設備。使用有效特徵檢測PD模式,並在受電設備中使用25kΩ電阻去實施。當PSE提供兩個連續的電壓(V1=2.7V和V2=10.1V)用於電阻檢測時,它記錄電流值,確定PD的存在,然後啟動為設備供電。圖1為啟動期間的電阻檢測階段。 圖1 啟動階段的波形 在分類階段,確定受電設備的最大功率要求。連接到PD的PoE控制器的另一個電阻指示功率範圍。表1顯示單特徵PD的不同類別及其最大平均功率。類別與Type不同,它涉及所連接設備的特定功率。在IEEE 802.3af/at(Type1和Type2設備)中,使用單特徵PD。IEEE 802.3bt添加雙特徵PD,其中每種模式或替代方案(A和B)使用單獨的輸入橋式整流器和PD控制器。 圖3 四對PoE功率傳輸 可選的分類擴展是自動分類。在自動分類中,PSE會測量特定時間段內連接的PD的功耗,進而可以確定PD所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特徵PD來實現。表1及列出新類別和類型在受電設備接收到的功率以及每種類型支援的模式。一旦檢測到受電設備並確定類別,就必須保持電源特徵。對於Type1和Type2設備,所需的最小功率特徵為10mA,工作週期為20%。為使埠保持啟動狀態,浪費至少2.31mA的平均電流。50V時能夠達到115mW,在更大的部署中很快地相加。對於Type3和Type4供電設備,工作週期降低到1.875%,這使得每個設備的功率小於10mW,進而使待機功耗降低90%。在網路上存在大量設備的聯網照明應用中,嚴格要求MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi接入點和安防攝影機等始終聯網的設備來說,它雖非關鍵但仍是必需。 三種PoE模式實現穩定電壓輸出 功率分配分為三種模式:模式A、模式B(也稱為替代A和替代B)和四對。對於10BASE-T/100BASE-TX,在模式A下,電源與資料對1-2和3-6同時傳送。模式B由備用對4-5和7-8供電。在1000BASE-T應用(四對)中,模式A和模式B的電力也同時由四對傳輸。使用標準乙太網路變壓器的中心抽頭提取共模電壓,然後DC-DC轉換器為系統提供穩定的輸出電壓。圖2為Type1和Type2應用的模式A和模式B供電,圖3則是Type3和Type4中4對模式的接線。 圖2 模式A和模式B PoE功率傳輸 設計使用PoE的設備時,須考慮互連電纜。乙太網路的電纜長度最大為100m,具有直流電阻,同時會降低電壓並因發熱而耗散功率。5類或Cat5電纜是乙太網網路中使用的雙絞線電纜,用於在PoE網路中供電,支援高達100MHz,適用於10/100/1000BASE-T。類別6或Cat6是對Cat5電纜的改進,並支援高達500MHz,適用於10GBASE-T的乙太網路速度。 一根100m的Cat5電纜直流電阻為12.5Ω;其中Cat6的電纜每100m的直流電阻為7Ω。傳輸損耗隨著差分對中電流的增加而增加。在25W PD的典型輸入電壓為50V的情況下,電流為0.5A。這在Cat5中的傳輸損耗總計為2.5W,在Cat6中的傳輸損耗總計為1.75W,這些損耗因發熱而耗散。對於90W的設備,此傳輸損耗在四對之間共用,每對為930mA,PSE至少為52V。在Cat5中為17.30W,而在Cat6中為2×6.05W,表示Cat5對於任何應用都足夠安全。 MOSFET加強封裝 解決高功率耗損  安裝電纜時應仔細考慮布線,事先斟酌電纜長度和設備電源之間的平衡,以提高效能和降低電纜損壞的風險。受電設備控制器進行轉換,並透過附加的DC-DC轉換器調節PD側的輸入電壓。二極體橋是用於典型PoE設備的一種低成本方案,可以滿足低功率設備所需,但是隨著功率的增加,此方案開始出現問題。在25.5W,最小42.5V的情況下,估計0.6A電流流經二極體橋。每個二極體的正向電壓為0.7V,每個二極體的功率損耗為420mW。在90W的系統之中,現在的電流為3.7A,每個二極體的功率損耗為2.59W。 MOSFET方法比常規二極體橋改善導通損耗和效能。例如安森美半導體(On Semiconductor)的第一代GreenBridge系列整合雙P溝道和雙N溝道MOSFET(FDMQ8203)系列提供緊湊且熱增強的表面貼裝封裝,可以有效解決此問題(圖4)。導通損耗與MOSFET的RDS(ON)值有關。對於25W系統,在N溝道和P溝道MOSFET的RDS(ON)分別為110mΩ和190mΩ的情況下,計算出耗散功率為115mW。這是二極體電橋功耗的四分之一。在90W的示例中,3.7A的導通損耗為354mW,低至二極體方案的13%。節能的幅度看似微小,但是在使用數百個PoE感測器的大樓管理系統中,可以見到顯著的差異(圖5)。 圖4 GreenBridge方案對比二極體橋 圖5 GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案 第二代QuadMOSFET方案(FDMQ8025A)則提供更高的額定功率、高效能的橋式整流器以及必要的門極驅動器,採用與第一代相同的小MPL 4.5×5mm封裝,和更小的RDS(ON),N通道MOSFET僅35mΩ,P通道MOSFET僅76mΩ。 圖6 NCP1095GEVB/NCP1096GEVB評估板 安森美半導體還提供PoE-PD介面控制器,多種設備都可成為相容802.3af/at和-3bt的受電設備。NCP1095和NCP1096介面控制器含在PoE系統中運作所需的所有功能,如浪湧階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器採用內/外部傳輸電晶體,支援高達90W的功率,還能指示何時可以實施簡短的維持電源特徵,而附加的輔助電源檢測支援由PoE或牆式插頭供電。此外,NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板使設計工程師可以快速評估兩個控制器的運作,然後實施有助於設計過程的物理設計,包括GreenBridge2橋式整流器、RJ45連接器和局域網路(LAN)變壓器。 PoE-PD整合促乙太網路供電具競爭力 IEEE 802.3bt乙太網跨供電標準為更多耗電設備打開市場,功耗的增加帶來新的挑戰,若是採用安森美半導體的PoE-PD方案來解決,該方案整合GreenBridge橋式整流器Quad MOSFET和易於實施的PoE-PD控制器。可有效降低新產品的風險並縮短上市時間,使乙太網路供電成為物聯網領域的重要市場競爭優勢。 (本文作者為安森美行銷經理)  
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MCU/WiFi模組共織救生網 火災煙聯網整合偵測與引導

因此,煙聯網藉由無線通訊技術,讓裝置間(火災警報器、滅火器及逃生出口指示燈)傳送訊號,實現可隨意擴充之物聯網(Internet of Things, IoT)防災系統,當火災警報器啟動時,透過聲響及燈光指示民眾尋找滅火器及逃生出口指示燈,有助於民眾快速從火場中逃生。 防災物聯網協助火場逃生 無線通訊技術已是相當成熟的科技,透過2.4G的Wi-Fi,同時具有一定的穿透能力及傳輸速度,加上可聯接網路,訊息傳送至雲端便能協助使用者透過手機接收訊息。因此煙聯網結合物聯網技術改善傳統防災設備無法連動之缺點,把每個火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈當作節點,當偵測到火災發生時,將訊號透過各個節點依訊號範圍往外傳送出去,建立可隨意擴充的防災系統。 煙聯網原理及功能分析 煙聯網由火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈三部分所組成,如圖1架構所示。使用盛群半導體(Holtek)8位元之HT66F2390 MCU作為裝置的主要核心,火災警報器搭配Wi-Fi模組及紅外線收發模組,達到煙霧偵測及無線通訊的功能。煙霧偵測使用紅外線會被煙霧遮蔽的特性,在紅外線訊號被干擾時表示火災發生,並使用MCU內部之UART通訊界面與Wi-Fi模組連接,控制Wi-Fi模組發送無線訊號,達到火災警示並傳送無線訊號。滅火器指示器及逃生出口指示燈使用Wi-Fi模組,收到無線訊號時,蜂鳴器會發出聲響,達到指引的功能。 圖1 煙聯網架構圖 煙霧偵測器由MCU、Wi-Fi模組、蜂鳴器、紅外線發射接收模組組成。煙霧偵測部分使用光反射之原理,使用紅外線作為光源,光感測器作為受光源,兩者之間夾角度避免直接受光,紅外線照射到煙霧微粒會反射到光感測器(圖2),當光感測器接收到光,藉由MCU執行數值判斷,當數值大於濃煙標準,即判斷火災發生,驅動蜂鳴器,並透過MCU之UART通訊介面連結Wi-Fi模組,將無線訊號藉由Wi-Fi模組發送。 圖2 煙霧偵測原理圖 滅火器指示器由Wi-Fi模組、蜂鳴器組成。滅火器指示器由Wi-Fi模組接收無線訊號,若收到火災發生訊號則驅動蜂鳴器,使滅火器發出聲響,提醒民眾火災地點附近之滅火器位置,在火災發生時達到預防性滅火的功能。而逃生出口指示燈,由出口指示燈、蜂鳴器及Wi-Fi模組組成。當Wi-Fi模組接收到火災發生時煙霧偵測器所發出之無線訊號,將自動點亮逃生出口指示燈,提示民眾疏散動線及逃生方向,增加公共場所火災時的逃生機會。    MCU為煙霧偵測器核心 HOLTEK 8bit MCU HT66F2390在煙聯網中扮演重要角色,由MCU作為煙霧偵測器的主要核心,透過UART連接粉塵感測器讀取環境空氣中粉塵之濃度值,並判斷是否超標,超標即代表火災發生,藉由UART控制Wi-Fi模組改變參數,使逃生出口指示燈、滅火器指示器運用搜尋的方式,接收火災發生之訊息,並指示民眾在火場中逃生。 煙聯網架構與多系統連動    火災警報器硬體架構(圖3),由電池提供電源,使用盛群8bit HT66F2390作為主要控制MCU,利用光線經過煙霧微粒會反射的原理,判斷是否發生火災,當受光模組接收到一定數值之光線即代表火災發生,透過MCU驅動蜂鳴器提醒民眾盡快疏散,並透過UART介面連結Wi-Fi模組,發送無線訊號驅動滅火器指示器及逃生出口指示燈。 圖3 火災警報器硬體架構圖 滅火器指示器及逃生出口指示燈的硬體架構大致相同(圖4),滅火器指示器及逃生出口指示燈硬體架構圖,皆由充電電池供電,確保斷電時能延續一段時間的正常動作,由Wi-Fi模組作為主要控制核心,當收到火災警報器發出之無線訊號,將驅動蜂鳴器,指示附近民眾尋找滅火器,不會使用滅火器的民眾則可以藉著逃生出口指示燈及其發出的聲音尋找逃生出口,透過火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈三個獨立系統互相連動,發揮滅火及逃生指引效果。 圖4 滅火器指示器及逃生出口指示燈硬體架構圖 微處理器 HT66F2390微處理器CPU具有8MHz、12MHz、16MHz三種系統時脈選擇,其工作電壓分別為2.2~5.5V、2.7~5.5V、3.3~5.5V,震盪來源形式有HXT、HIRC、LXT、LIRC,內建8MHz、12MHz、16MHz的RC振盪器,並有多元操作模式FAST、SLOW、IDLE、SLEEP,支援長指令,具備省電及喚醒功能。HT66F239具有Program Memory 64K×16-Bit,Data Memory 4096×8-Bit,EEPROM Memory 1024×8-Bit,最多支援58支雙向I/O腳位,具有4支外部中斷輸入功能腳位,多個計時模組支援時間計數、比對吻合、PWM功能。 它的周邊功能有串列界面模組SIM,包含SPI、I2C傳輸,串列周邊介面SPIA,兩組UART傳輸,兩組時基計時裝置,可定時產生中斷訊號,兩組類比比較器,最多支援16個通道、12-bit解析度的A/D轉換器,內建MDU乘法器除法器運算單元供開發者使用。 煙聯網使用MCU之UART傳輸介面讀取粉塵感測器數據,分析並計算環境之粉塵濃度,當濃度超標時,驅動蜂鳴器及LED燈,提醒使用者火災發生,並透過第二組UART傳輸介面與Wi-Fi模組溝通,驅動Wi-Fi模組傳送訊息給訊號範圍內之其他防災裝置。 粉塵感測器 GP2Y1051AU0F粉塵感測器,由Sharp公司生產製造,內部由光感測器(PD)及發光二極體(LED)、微處理器(MCU)所組成(圖5),藉由內部MCU驅動LED發出光線,光照射到粉塵會有散射的現象,散射進入到光感測器內的光轉換成電壓大小,藉由三次的功率放大(Amp Circuit)將微小電壓放大,並透過內部MCU執行A/D轉換以UART通訊方式輸出,即為量測環境中粉塵濃度(圖6)。 圖5 工作原理圖 圖6 架構方塊圖 GP2Y1051AU0F粉塵感測器藉由UART通訊協定作為粉塵濃度值之輸出,Baud Rate為2400bit/s,數據發送格式(表1),換算公式如下: Vout值=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5 如表中範例值,Vout=1.53V。 表1  粉塵感測器輸出資料表 煙聯網使用HT66F2390與粉塵感測器連接,以UART通訊方式接收資料計算出粉塵濃度,並判斷濃度高低,在數值超標時判定為火災發生,驅動周邊防災系統。 Wi-Fi模組 ESP8266Wi-Fi模組是一顆32bit微處理器,工作電壓為3.3V,Wi-Fi模組外觀如圖7所示,具有Wi-Fi 802.11b/g/n 2.4G Radio,可以設定為AP、Station或AP+Station網路模式,並支援UART、I2C、GPIO、PWM、SPI、ADC等功能,價格便宜且容易取得,成為物聯網應用中常見的晶片。 圖7 Wi-Fi模組外觀圖 煙聯網使用ESP8266Wi-Fi模組UART通訊介面與主控MCU連接,當主控MCU偵測到粉塵濃度超標時,藉由UART介面使Wi-Fi模組改變Wi-Fi參數,使訊號範圍內之其他防災裝置得以搜尋到參數改變,並發出警報聲響。 充電模組 TP4056充電模組外觀如圖8,輸入端為Micro USB接頭母頭,輸入電壓為5V可以對電壓為3.7V之聚合物鋰電池單個或多個並聯充電,充電截止電壓4.2V,具有限流及過放電壓保護,最大充電電流1000mA,電池過放保護電壓2.5V防止電池過度放電造成額外電池壽命消耗。 圖8 充電模組外觀圖 軟體流程 煙霧感測器上電時,持續偵測環境中粉塵濃度,若判斷粉塵濃度超標即透過MCU之UART傳輸介面將驅動訊號傳給Wi-Fi模組,Wi-Fi模組會改變Wi-FiAP之MAC位址讓周邊裝置可以搜尋到狀態改變,MCU同時驅動蜂鳴器提醒使用者火災發生需儘速尋找滅火器及逃生出口,達到具備火災預警的防災功能(圖9)。 圖9 煙霧感測器軟體流程圖 滅火器指示器及逃生出口指示燈之軟體流程大致相同,藉由Wi-Fi模組持續搜尋的方式,搜尋鄰近Wi-Fi AP的MAC位置,若發現MAC位置改變為火災發生時之訊號,即改變自身Wi-Fi AP之MAC位置傳遞訊號,同時驅動蜂鳴器提醒民眾滅火器即逃生出口位置,並閃爍逃生出口燈,指引民眾拿取滅火器滅火並從逃生出口疏散人群,如圖10滅火器指示器及逃生出口指示燈軟體流程圖。 圖10 滅火器指示器及逃生出口指示燈軟體流程圖 LINE...
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搶頭香 博通發布全球首款Wi-Fi 6E晶片

Wi-Fi晶片大廠博通(Broadcom),發表全球首款Wi-Fi 6E的用戶端晶片方案BCM4389,並宣稱該晶片實際傳輸速度超過2Gbps,電池使用效率提升5倍,能符合未來旗艦級智慧型手機與擴增實境/虛擬實境(AR/VR)裝置的應用需求。 博通無線通訊及連線事業部行銷副總裁Vijay Nagarajan表示,BCM4389是全球首款Wi-Fi 6E行動裝置用晶片,能在6GHz頻帶的核心優勢上,提供Gb等級、低延遲的無線傳輸速度,開創無線連接擴增實境/虛擬實境的未來。 在Wi-Fi 6(802.11ax)產品開始擴大滲透市場之際,Wi-Fi聯盟已積極推動新的Wi-Fi 6E規格。Wi-Fi 6E建置在Wi-Fi 6豐富的功能選擇之上,是Wi-Fi 6標準的增強版本,將使用即將投入營運的6GHz頻段,可擁有多達160MHz的通道頻寬,因而能讓Wi-Fi傳輸速度加倍,提供Gb等級的傳輸速度。 此外,Wi-Fi 6E的延遲時間也能降至Wi-Fi 5標準的一半;在擁擠環境下也能有更好的連線效能,避免較舊裝置所造成的擁塞,同時還有更先進的漫遊功能與強化的安全性。 Wi-Fi 6E創新的功能,讓雙向高速影像應用得以實現,滿足未來旗艦級智慧型手機與擴增實境/虛擬實境裝置的應用需求,提供穩定、流暢與安全的使用者體驗。 IDC產業研究總監Phil Solis認為,Wi-Fi 6E在法規預期修改與晶片組推出之下,將會快速的普及。有眾多視訊相關的應用案例,其所需的距離較短,極適合採用6GHz頻段所能提供的160MHz通道頻寬。 全新6GHz頻段預計2020年就會開始在美國進行營運,預期在上線時就會有許多相容6GHz的裝置同步推出。
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