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智能照明將高效、長壽命的 LED 與無線連接相結合，允許樓宇管理者根據使用情況定制照明方案，最大限度地降低耗電量。在新建筑中安裝智能照明相對簡單，但對現有建筑進行改造卻很復雜，而且成本也高得多。既有物業的樓宇管理者試圖尋找更便宜的替代方案，使他們能夠利用先進的照明技術。 一種高性價比的簡單替代方案是在現有的以太網網絡中添加以太網供電 (PoE) 來為 LED 供電。不過，該方案的缺點是以太網不太適合智能照明的連接，因為它本是設計用于計算機之間頻繁、大量的信息傳輸，而不是智能照明控制和配置所需的少量、不頻繁的數據傳輸。 解決方案是將 PoE 與低功耗 (LE) 藍牙連接相結合，通過智能手機進行無線配置和控制。這種短距離射頻標準已經廣泛應用于智能照明，而且關鍵是，可以與智能手機互操作。這種互操作性確保可以通過手機上的應用程序直接控制燈光，而不需要昂貴的專有用戶界面。 本文介紹了 PoE 和基于 PoE 的 LED 照明基礎設施的優勢，并說明了設計人員可以如何實施 PoE LED 照明解決方案。然后，本文借鑒來自 Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 的 PoE 加低功耗藍牙參考設計和評估套件，介紹了如何利用低功耗藍牙實現網絡的無線配置和控制。 PoE 簡介 最初的 PoE 技術（IEEE 802.3af“1 類”）為每臺設備提供標稱 15.4 W 的直流電源（最低 44 V DC 和 350 mA）。該技術使用以太網網絡常用的 RJ45 連接器和 Cat5 網線。 可以通過以太網電纜的未使用導線進行電力傳輸（方案 B）；也可以向每對絞線施加共模電壓，通過電纜的數據線進行電力傳輸，由于以太網通過差分信號傳輸數據，因此不會受到干擾（方案 A）。 IEEE 802.3af 定義了兩種類型的 PoE 設備：供電設備 (PSE) 和用電設備 (PD)。PSE 經由自己的常規電源供電，然后管理通過以太網電纜網絡傳輸給 PD 的電力，而 PD 則可通過 PoE 獲得所需的電力。IEEE PoE 標準提供了 PSE 與 PD 之間的信令，讓 PSE 能夠檢測到符合要求的設備。PSE 在導線上施加 2.8 至 10 V 的直流電壓，并通過測量環路電流來確定是否連接了 PD。PD 應表示為 19 至 27 kΩ 的阻性負載和 120 nF 的并聯電容器。檢測到 PD 后，PSE 和 PD 就會“協商”所需或可用的功率。 隨著越來越多的設備需要比最初標準的 15.4 W 更高的功率，為了滿足這一需求，"PoE+"（IEEE 802.3at“2 類”）于 2009 年面世。該技術可為 PD 提供高達 25.5 W 的標稱功率。PoE+ 電流從最初標準的 350 mA 增加到 600 mA。（有關 PoE 和 PoE+ 的更多信息，請參見 Digi-Key 技術文章《以太網供電簡介》。）更新的版本 IEEE 802.3bt“3 類”和“4 類”分別提供 60 W 和 90 W 的標稱功率，以及 600 mA 和 960 mA 的電流。 實施中跨 PoE 設計 PSE 可以作為端跨（通過交換機/集線器），也可以作為中跨。端跨 PSE 通常位于以太網交換機內，而中跨 PSE 是位于普通以太網交換機與 PD 之間的“供電器”，通過網線供電，而不影響數據傳輸。在傳統網絡中，要用支持 PoE 的新型號來替換現有的以太網交換機，成本相當高昂。然而，若是安裝 PSE 作為中跨，即可輕松將 PoE 引入到傳統網絡中。 在 PoE 中跨實施中，直接通過未使用的以太網絞線來配電。PoE PSE 正輸出 (V+) 連接導線 4 和 5，而 PSE 負輸出 (V-) 連接導線 7 和 8。在這種配置中，兩對電源線與兩對原始信號線分離，原始信號線并未通過 PoE 中跨供電器連接。這種實施類型如下圖所示，使用 Maxim Integrated 的 MAX5969 單通道 PD 控制器和 MAX5980 四通道 PSE 控制器進行配置（圖 1）。 
圖 1：PoE 中跨實施方案，通過以太網 Cat5 電纜中先前未使用的電源線進行電力傳輸。(圖片源：Maxim Integrated) MAX5969 為符合 IEEE 802.3af/at PoE 系統的 PD 提供了完整的接口。該器件還為 PD 提供檢測簽名、分類簽名，以及帶浪涌電流控制的集成式隔離電源開關。根據輸入電壓的不同，MAX5969 以四種不同的模式運行：PD 檢測、PD 分類、標記事件，以及 PD 電源。當輸入電壓介于 1.4 至 10.1 V 之間時，該器件進入 PD 檢測模式；當輸入電壓介于 12.6 至 20 V 之間時，器件進入 PD 分類模式。一旦輸入電壓超過 VON (35.4 V)，該器件則會進入 PD 電源模式。 MAX5980 四通道 PSE 控制器設計用于 IEEE 802.3af/at PoE PSE 的實施。該器件提供 PD 發現、分類、限流和負載斷開檢測功能，并具有四種工作模式： · 自動模式允許器件以默認設置自動運行，無需任何軟件 · 半自動模式能自動檢測連接至端口的設備并對其進行分類，但在軟件指示之前不為端口供電 · 手動模式允許對器件進行完全的軟件控制，該模式對系統診斷非常有用 · 關斷模式將終止所有活動，使端口安全斷電 Maxim 提供了 MAX5980EVKIT 評估套件 (EK)，用于 MAX5980 的開發工作。該評估套件具有四端口以太網 PSE 電路，包括 MAX5980 PSE 控制器和四個 N 溝道功率 MOSFET，可用作 -48 V 或 -54 V 電源。該評估套件為四個以太網輸出端口分別配置了單獨的獨立電源通道，并允許工程師對每個通道執行 PSE 控制器的全部功能。工程師可以設置可配置的工作模式和大功率模式（每個端口最多可編程為 30 W），還可以通過 I2C 接口、PD 檢測、PD 分類、過流和欠壓/過壓保護、折返式電流和直流斷開檢測等，收集端口電流信息來進行試驗。 配置可通過兼容 PC 的軟件完成，并可對各個寄存器進行位級訪問（圖 2）。
圖 2：MAX5980 評估套件包括兼容 PC 的軟件，可對 PSE 控制器監控的四個端口進行簡單配置。(圖片源：Maxim Integrated) 添加基于 PoE 的 LED 照明 除了無需布設新的智能照明線路，PoE 連接照明的主要優勢在于降低了 LED 燈具電源的復雜性。 連接至 PoE 插口的 LED 燈具充當 PD，直接從網絡中獲得清潔、穩定的直流電，而不需要通過初級側電壓調節將交流轉換為直流，并降低市電電壓。然而，PoE 的（標稱）44 V 直流電源不適合直接為 LED 供電，因此應在電源與燈具之間安裝 LED 驅動器。該 LED 驅動器可調節輸入，將其轉換為 LED 所需的恒流、恒壓。 為 PoE 操作而設計的 LED 驅動器的一個典型例子是 Maxim Integrated 的 MAX16832。該器件是一款降壓恒流高亮度 LED 驅動器，電壓輸入范圍為 6.5 至 65 V，提供高達 1 A 的恒定輸出電流，精度為 ±3%。專用 PWM 輸入在較寬的亮度范圍內支持脈沖式 LED 調光。2 MHz 的開關頻率允許使用更小的磁性元件。據稱，通過 45 V 輸入驅動 5 個串聯的 LED 時，能效約為 95%。模擬熱折返功能可在 LED 燈串的溫度超過指定值時降低 LED 電流。MAX16832 的典型應用電路如圖所示（圖 3）。
圖 3：MAX16832 高亮度 LED 驅動器應用電路。該驅動器適用于 PoE LED 照明應用。(圖片源：Maxim Integrated) 將基于 PoE 的 LED 照明與低功耗藍牙相結合 LED 可以精確調光、即時開啟或關閉，并可配置為提供多種溫度和顏色變化。連接性使消費者能夠輕松獲得這種可變性。直接使用以太網絡網絡進行智能照明連接可以實現但很復雜，因為以太網本是設計用于計算機之間頻繁地傳輸大量數據，而不是在 LED 燈具之間不頻繁地傳輸少量數據。 相比之下，低功耗藍牙非常適合智能照明連接的要求。主要優勢包括：在 100 米范圍內高能效傳輸少量數據、廣泛的供應商基礎、與智能手機的互操作性（無需額外的用戶界面即可進行配置和控制），以及支持即時控制特定燈或燈組的網狀網絡功能。（有關藍牙網狀網絡的更多設計信息，請參見 Digi-Key 技術文章《使用藍牙網狀網絡設計低功耗藍牙智能應用》。） 將低功耗藍牙添加至 PoE LED 燈中并非易事（有關采用低功耗藍牙設計的更多信息，請參見 Digi-Key 技術文章《低功耗藍牙模塊物聯網應用》），但由于其帶來的明顯優勢，這是一項值得去做的工作。此外，利用芯片供應商的參考設計和評估套件，開發基于 PoE 的無線連接智能燈具原型設計會變得更加簡單。 一個例子是 STMicroelectronics 具有低功耗藍牙連接的 PoE 參考設計 STEVAL–POEL45W1。該參考設計基于該公司符合 IEEE802.3bt 標準的 PM8805 PD PoE 接口、能夠提供高達 3 A 電流的 LED 驅動器和低功耗藍牙模塊。該參考設計提供 45 W 的功率輸出。 隨參考設計提供的固件 (STSW-POEL45FW) 可與 PoE 照明 Android 應用進行通信，支持通過控制 500 Hz 脈沖寬度調制 (PWM) 占空比（也由固件生成）來管理 LED 驅動器的開/關模式和調光。此外，設計人員還可以自由開發應用軟件，以增強 LED 的無線配置和控制，并可使用該公司的 STSW-BNRG1STLINK 實用工具，對低功耗藍牙芯片進行編程。 ON Semiconductor 提供的產品是 LIGHTING-1-GEVK 互聯照明平臺。該產品包含多個插入式評估板（支持雙 LED 驅動器、LED 照明和低功耗藍牙功能），可用于構建具有無線連接功能的完整商用照明解決方案。默認電源是一個 AC/DC 轉換器，但該公司也提供了 PoE 電源 LIGHTING-POWER-POE-GEVB（圖 4）。
圖 4：ON Semiconductor 的 PoE 電源用于該公司的互聯照明平臺，可將 LED 燈具轉換為符合 IEEE 802.3af/at/bt 標準的 PD。（圖片來源：ON Semiconductor） 這款 PoE 電源的核心是該公司的 NCP1096PAR2G PoE PD 控制器。該芯片將 LED 燈具轉換為符合 IEEE 802.3af/at/bt 標準的 PD。NCP1096 通過內部傳輸晶體管支持大功率應用（最高 90 W）。 要使用配備 PoE 電源的互聯照明平臺，需要將 PSE 中跨供電器連接至電源的輸入端。ON Semiconductor 建議使用 Phihong 的 POE90U-1BT-2-R，這款中跨供電器能夠通過 100 V 至 240 V 的輸入以 56 V 的電壓提供高達 90 W 的電源。 當 PSE 中跨供電器接入 PoE 電源輸入端后，只需將 LED 驅動器連接至電源輸出端，將 LED 連接至驅動器輸出端，并將低功耗藍牙連接模塊連接至 LED 驅動器上的連接器，即可實現基于 PoE 的完整無線連接硬件系統。 該互聯照明平臺的固件開發是通過該公司的藍牙 CMSIS 軟件開發套件 (SDK) 完成的，該套件是一款可以在一系列集成開發環境 (IDE) 中運行的設計工具。固件在 FreeRTOS 上運行，FreeRTOS 是 CMSIS SDK 中包含的實時操作系統。安裝到 IDE 上后，設計人員即可使用該 SDK 試驗以下低功耗藍牙服務： · 燈光控制服務：連接的設備用來讀取和更改所連接 LED 燈串的狀態。 · 遙測服務：將平臺測量的變量提供給連接的設備。這些變量包括每個 LED 驅動器的電流和系統電壓。 · PoE 功率輸送服務：允許對等設備檢索有關 PoE 對設備施加的功率限制的信息，該限制經由 PoE 供電器與平臺協商得到。 藍牙 CMSIS SDK 包含許多樣例應用程序，這些應用程序可以輕松導入 IDE 工作區，并由此移植到互聯照明平臺的低功耗藍牙芯片上（圖 5）。
圖 5：ON Semiconductor 的藍牙 CMSIS SDK 包含用于該公司的互聯照明平臺的照明樣例應用程序。（圖片來源：ON Semiconductor） 除此之外，該互聯照明平臺還附帶關聯的智能手機應用，即 RSL10 Sense and Control 應用，同時兼容 iOS 和 Android 智能手機。下載到智能手機后，該應用即會提示開發者將其與互聯照明平臺配對。然后，開發人員可以使用該應用： · 顯示測量的 LED 通道電流和系統電壓遙測數據 · 獨立設置每個 LED 通道的 PWM 占空比（從而控制調光） · 顯示 PoE PD 控制器與 PSE 之間協商的功率限制信息（圖 6）
圖 6：ON Semiconductor 的 Sense and Control 應用可提供互聯照明平臺的配置和性能信息。（圖片來源：ON Semiconductor） 結語 智能照明將高效、長壽命的 LED 與無線連接的便利性相結合。有一種高性價比的簡單替代方案可以升級現有的基礎設施，即在商業以太網絡網絡中實施 PoE 來為 LED 燈供電，并添加低功耗藍牙連接，以便通過智能手機實現照明的無線配置和控制。 雖然設計基于 PoE 的無線智能照明方案并非易事，但市面上許多成熟的 PoE PSE 和 PD 解決方案、一系列兼容 PoE 的 LED 驅動器和低功耗藍牙，在設計時就已將智能照明考慮在內。此外，如果基于主要芯片供應商提供的現成 PoE 加低功耗藍牙評估套件和固件示例進行原型設計，開發過程就會更輕松。 來源：Digi-Key |
