作者：Digi-Key 北美编辑
关键词：网络，LED，方案
智能照明将高效、长寿命的LED与无线连接相结合，允许楼宇管理者根据使用情况定制照明方案，最大限度地降低耗电量。在新建筑中安装智能照明相对简单，但对现有建筑进行改造却很复杂，而且成本也高得多。既有物业的楼宇管理者试图寻找更便宜的替代方案，使他们能够利用先进的照明技术。
一种高性价比的简单替代方案是在现有的以太网网络中添加以太网供电 (PoE) 来为 LED 供电。不过，该方案的缺点是以太网不太适合智能照明的连接，因为它本是设计用于计算机之间频繁、大量的信息传输，而不是智能照明控制和配置所需的少量、不频繁的数据传输。
一种解决方案是将PoE与低功耗 (LE) 蓝牙连接相结合，通过智能手机进行无线配置和控制。这种短距离射频标准已经广泛应用于智能照明，而且关键是，可以与智能手机互操作。这种互操作性确保可以通过手机上的应用程序直接控制灯光，而不需要昂贵的专有用户界面。
本文介绍了PoE和基于PoE的LED照明基础设施的优势，并说明了设计人员可以如何实施PoE LED照明解决方案。然后，本文基于来自Maxim Integrated、STMicroelectronics和ON Semiconductor的PoE加低功耗蓝牙参考设计和评估套件，介绍了如何利用低功耗蓝牙实现网络的无线配置和控制。
PoE简介
最初的 PoE 技术（IEEE 802.3af“1类”）为每台设备提供标称15.4W的直流电源（最低44VDC和350mA）。该技术使用以太网网络常用的RJ45连接器和Cat5网线。
该技术可以通过以太网电缆的未使用导线进行电力传输（方案B）；也可以向每对绞线施加共模电压，通过电缆的数据线进行电力传输，由于以太网通过差分信号传输数据，因此不会受到干扰（方案A）。
IEEE 802.3af定义了两种类型的PoE设备：供电设备 (PSE) 和用电设备 (PD)。PSE经由自己的常规电源供电，然后管理通过以太网电缆网络传输给PD的电力，而PD则可通过PoE获得所需的电力。IEEE PoE标准提供了PSE与PD之间的信令，让PSE能够检测到符合要求的设备。PSE在导线上施加2.8至10V的直流电压，并通过测量环路电流来确定是否连接了PD。PD应表示为19至27kΩ的阻性负载和120nF的并联电容器。检测到PD后，PSE和PD就会“协商”所需或可用的功率。
随着越来越多的设备需要比最初标准的15.4W更高的功率，为了满足这一需求，”PoE+”（IEEE 802.3at“2类”）于2009年面世。该技术可为PD提供高达25.5W的标称功率。PoE+电流从最初标准的350mA增加到600mA（有关PoE和PoE+的更多信息，请参见Digi-Key技术文章《以太网供电简介》）。
更新的版本IEEE 802.3bt“3类”和“4类”分别提供60W和90W的标称功率，以及600mA和960mA的电流。
实施中跨PoE设计
PSE可以作为端跨（通过交换机/集线器），也可以作为中跨。端跨PSE通常位于以太网交换机内，而中跨PSE是位于普通以太网交换机与PD之间的“供电器”，通过网线供电，而不影响数据传输。在传统网络中，要用支持PoE的新型号来替换现有的以太网交换机，成本相当高昂。然而，若是安装PSE作为中跨，即可轻松将PoE引入到传统网络中。
在PoE中跨实施中，直接通过未使用的以太网绞线来配电。PoE PSE正输出 (V+) 连接导线4和5，而PSE负输出 (V-) 连接导线7和8。在这种配置中，两对电源线与两对原始信号线分离，原始信号线并未通过PoE中跨供电器连接。这种实施类型如下图所示，使用Maxim Integrated的MAX5969单通道PD控制器和MAX5980四通道PSE控制器进行配置（图1）。
图1：PoE中跨实施方案，通过以太网Cat5电缆中先前未使用的电源线进行电力传输。(图片源：Maxim Integrated)
MAX5969为符合IEEE 802.3af/at PoE系统的PD提供了完整的接口。该器件还为PD提供检测签名、分类签名，以及带浪涌电流控制的集成式隔离电源开关。根据输入电压的不同，MAX5969以四种不同的模式运行：PD检测、PD分类、标记事件，以及PD电源。当输入电压介于1.4至10.1V之间时，该器件进入PD检测模式；当输入电压介于12.6至20V之间时，器件进入PD分类模式。一旦输入电压超过VON (35.4V)，该器件则会进入PD电源模式。
MAX5980四通道PSE控制器设计用于IEEE 802.3af/at PoE PSE的实施。该器件提供PD发现、分类、限流和负载断开检测功能，并具有四种工作模式：
- 自动模式允许器件以默认设置自动运行，无需任何软件
- 半自动模式能自动检测连接至端口的设备并对其进行分类，但在软件指示之前不为端口供电
- 手动模式允许对器件进行完全的软件控制，该模式对系统诊断非常有用
- 关断模式将终止所有活动，使端口安全断电
Maxim提供了MAX5980EVKIT评估套件 (EK)，用于MAX5980的开发工作。该评估套件具有四端口以太网PSE电路，包括MAX5980 PSE控制器和四个N沟道功率MOSFET，可用作-48V或-54V电源。该评估套件为四个以太网输出端口分别配置了单独的独立电源通道，并允许工程师对每个通道执行PSE控制器的全部功能。工程师可以设置可配置的工作模式和大功率模式（每个端口最多可编程为30W），还可以通过I2C接口、PD检测、PD分类、过流和欠压/过压保护、折返式电流和直流断开检测等，收集端口电流信息来进行试验。
配置可通过兼容PC的软件完成，并可对各个寄存器进行位级访问（图2）。
图2：MAX5980评估套件包括兼容PC的软件，可对PSE控制器监控的四个端口进行简单配置。(图片源：Maxim Integrated)
添加基于PoE的LED照明
除了无需布设新的智能照明线路，PoE连接照明的主要优势在于降低了LED灯具电源的复杂性。
连接至PoE插口的LED灯具充当PD，直接从网络中获得清洁、稳定的直流电，而不需要通过初级侧电压调节将交流转换为直流，并降低市电电压。然而，PoE的（标称）44V直流电源不适合直接为LED供电，因此应在电源与灯具之间安装LED驱动器。该LED驱动器可调节输入，将其转换为LED所需的恒流、恒压。
为PoE操作而设计的LED驱动器的一个典型例子是Maxim Integrated的MAX16832。该器件是一款降压恒流高亮度LED驱动器，电压输入范围为6.5至65V，提供高达1A的恒定输出电流，精度为±3%。专用PWM输入在较宽的亮度范围内支持脉冲式LED调光。2MHz的开关频率允许使用更小的磁性元件。据称，通过45V输入驱动5个串联的LED时，能效约为95%。模拟热折返功能可在LED灯串的温度超过指定值时降低LED电流。MAX16832的典型应用电路如图所示（图3）。
图3：MAX16832高亮度LED驱动器应用电路。该驱动器适用于PoE LED照明应用。(图片源：Maxim Integrated)
基于PoE的LED照明与BLE相结合
LED可以精确调光、即时开启或关闭，并可配置为提供多种温度和颜色变化。连接性使消费者能够轻松获得这种可变性。直接使用以太网络网络进行智能照明连接可以实现但很复杂，因为以太网本是设计用于计算机之间频繁地传输大量数据，而不是在LED灯具之间不频繁地传输少量数据。
相比之下，低功耗蓝牙非常适合智能照明连接的要求。主要优势包括：在100米范围内高能效传输少量数据、广泛的供应商基础、与智能手机的互操作性（无需额外的用户界面即可进行配置和控制），以及支持即时控制特定灯或灯组的网状网络功能。（有关蓝牙网状网络的更多设计信息，请参见 Digi-Key 技术文章《使用蓝牙网状网络设计低功耗蓝牙智能应用》）
将低功耗蓝牙添加至PoE LED灯中并非易事（有关采用低功耗蓝牙设计的更多信息，请参见Digi-Key技术文章《低功耗蓝牙模块物联网应用》），但由于其带来的明显优势，这是一项值得去做的工作。此外，利用芯片供应商的参考设计和评估套件，开发基于PoE的无线连接智能灯具原型设计会变得更加简单。
一个例子是STMicroelectronics具有低功耗蓝牙连接的PoE参考设计STEVAL–POEL45W1。该参考设计基于该公司符合IEEE802.3bt标准的PM8805 PD PoE接口、能够提供高达3A电流的LED驱动器和低功耗蓝牙模块。该参考设计提供45W的功率输出。
随参考设计提供的固件 (STSW-POEL45FW) 可与PoE照明Android应用进行通信，支持通过控制500Hz脉冲宽度调制 (PWM) 占空比（也由固件生成）来管理LED驱动器的开/关模式和调光。此外，设计人员还可以自由开发应用软件，以增强LED的无线配置和控制，并可使用该公司的STSW-BNRG1STLINK实用工具，对低功耗蓝牙芯片进行编程。
ON Semiconductor提供的产品是LIGHTING-1-GEVK互联照明平台。该产品包含多个插入式评估板（支持双LED驱动器、LED照明和低功耗蓝牙功能），可用于构建具有无线连接功能的完整商用照明解决方案。默认电源是一个AC/DC转换器，但该公司也提供了PoE电源LIGHTING-POWER-POE-GEVB（图4）。
图4：ON Semiconductor的PoE电源用于该公司的互联照明平台，可将LED灯具转换为符合IEEE 802.3af/at/bt标准的PD。（图片来源：ON Semiconductor）
这款PoE电源的核心是该公司的NCP1096PAR2G PoE PD控制器。该芯片将LED灯具转换为符合IEEE 802.3af/at/bt标准的 PD。NCP1096通过内部传输晶体管支持大功率应用（最高90W）。
要使用配备PoE电源的互联照明平台，需要将PSE中跨供电器连接至电源的输入端。ON Semiconductor建议使用Phihong的POE90U-1BT-2-R，这款中跨供电器能够通过100V至240V的输入以56V的电压提供高达90W的电源。
当PSE中跨供电器接入PoE电源输入端后，只需将LED驱动器连接至电源输出端，将LED连接至驱动器输出端，并将低功耗蓝牙连接模块连接至LED驱动器上的连接器，即可实现基于PoE的完整无线连接硬件系统。
该互联照明平台的固件开发是通过该公司的蓝牙CMSIS软件开发套件 (SDK) 完成的，该套件是一款可以在一系列集成开发环境 (IDE) 中运行的设计工具。固件在FreeRTOS上运行，FreeRTOS是CMSIS SDK中包含的实时操作系统。安装到IDE上后，设计人员即可使用该SDK试验以下低功耗蓝牙服务：
- 灯光控制服务：连接的设备用来读取和更改所连接LED灯串的状态。
- 遥测服务：将平台测量的变量提供给连接的设备。这些变量包括每个LED驱动器的电流和系统电压。
- PoE功率输送服务：允许对等设备检索有关PoE对设备施加的功率限制的信息，该限制经由PoE供电器与平台协商得到。
蓝牙CMSIS SDK包含许多样例应用程序，这些应用程序可以轻松导入IDE工作区，并由此移植到互联照明平台的低功耗蓝牙芯片上（图5）。
图5：ON Semiconductor的蓝牙CMSIS SDK包含用于该公司的互联照明平台的照明样例应用程序。（图片来源：ON Semiconductor）
除此之外，该互联照明平台还附带关联的智能手机应用，即RSL10 Sense and Control应用，同时兼容iOS和Android智能手机。下载到智能手机后，该应用即会提示开发者将其与互联照明平台配对。然后，开发人员可以使用该应用：
- 显示测量的 LED 通道电流和系统电压遥测数据
- 独立设置每个 LED 通道的 PWM 占空比（从而控制调光）
- 显示 PoE PD 控制器与 PSE 之间协商的功率限制信息（图 6）
图6：ON Semiconductor的Sense and Control应用可提供互联照明平台的配置和性能信息。（图片来源：ON Semiconductor）
结语
智能照明将高效、长寿命的LED与无线连接的便利性相结合。有一种高性价比的简单替代方案可以升级现有的基础设施，即在商业以太网络网络中实施PoE来为LED灯供电，并添加低功耗蓝牙连接，以便通过智能手机实现照明的无线配置和控制。
虽然设计基于PoE的无线智能照明方案并非易事，但市面上许多成熟的PoE PSE和PD解决方案、一系列兼容PoE的LED驱动器和低功耗蓝牙，在设计时就已将智能照明考虑在内。此外，如果基于主要芯片供应商提供的现成PoE加低功耗蓝牙评估套件和固件示例进行原型设计，开发过程就会更轻松。
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