【導讀】歷經多年的發(fā)展，智能照明已經深入人心：一方面它能夠大大提升電能的利用效率，實現節(jié)能減排、綠色照明；另一方面，它也從根本上改變了人們對電燈這個“古老”的電器的使用方式，提供了全新的用戶體驗——對于這樣的技術，人們當然是不得不愛。
所謂智能照明，從本質上講，就是對人們開關電燈的方式進行的一次革命，將傳統(tǒng)上由人完成的開關操作變成了一個自動化的過程，讓照明系統(tǒng)根據預先設定的條件自行開關或調節(jié)明暗，甚至是引入人工智能（AI），讓照明系統(tǒng)基于數據洞察進行更智能地自我調控，盡可能地實現按需照明的理想狀態(tài)，達成節(jié)能增效的終極目標。
圖1：全球智能照明和聯網控制系統(tǒng)的銷售額預計將從2018年的100億美元增長到2023年的210億美元（資料來源：Omdia）
從上面的定義不難看出，構建智能照明系統(tǒng)，有兩個核心的要素：一個是電能的傳輸，一個是數據的傳輸——前者要確保盡可能高效地利用電能，驅動LED照明燈具；后者則是要建立通暢的關鍵數據上傳和控制指令下達通路，以形成一個完整的自動化控制閉環(huán)。
按照這樣的構想，一種典型的智能照明系統(tǒng)的設計思路是：利用市電網絡進行電力傳輸為LED燈具供電，同時通過無線通信網絡建立起數據通道，這樣就能夠快速對每一個照明節(jié)點進行智能化改造。
但是這種方案并非在任何場景下都適用——比如在無線通信受限的情況下就無法使用；再有如果節(jié)點數量多、覆蓋范圍廣，也會給無線互連網絡的部署帶來挑戰(zhàn)。在這樣的情況下，PoE（以太網供電）照明就成了實現智能照明一種不可或缺的技術路徑。
不斷發(fā)展的PoE標準
大家對于PoE技術并不陌生，簡而言之，這就是一種通過一條以太網電纜（通常為Cat5e）同時實現電源和數據傳輸的技術。開發(fā)PoE這樣一種技術的初衷，就是為了讓低功耗的外設能夠從中央集線器獲得電力而無需額外的電源布線，這樣就可以規(guī)避在建筑物內運行主電源涉及的復雜性、成本和合規(guī)性等問題。
首個PoE標準（IEEE 802.3af）是在2003年推出的，其目的是為IP電話、接入點和傳感器等設備提供15.4W的功率，而實際上由于電纜損耗，每個外設的可用功率僅有13.0W左右。隨著PoE應用的發(fā)展，這樣的功率水平顯然是偏保守了。
于是在2009年，PoE標準的第二個版本IEEE 802.3at發(fā)布（也被稱為PoE+），其在供電設備端能夠輸出30W的電力，受電設備可以輸入的電力也增加到了25W，這就可以支持為更復雜的設備供電，并為平板電腦等小型設備充電了。
2018年，PoE標準又迎來了新一次的升級，新的IEEE 802.3bt標準分為Type 3（PoE++ / UPoE）和Type 4（High-Power PoE，高功率PoE）兩類，前者在供電端口可提供高達60W的功率，后者提供的功率則可以達到90W以上。
表1：PoE標準及特性
（資料來源：安森美）
這樣的功率傳輸能力，顯然可以讓PoE延伸到更多的應用場景中，智能照明自然是其中重要的一個領域。
圖2：全球PoE設備的部署情況，照明領域增勢明顯
（圖源：安森美）
PoE智能照明的優(yōu)勢
基于PoE的照明系統(tǒng)，能夠提供的優(yōu)勢顯而易見。
高效率
PoE使用以太網絡通過一條電纜同時傳輸數據和直流電源，也就意味著無需進行交流到直流的電源轉換，這無疑有利于提高電源系統(tǒng)整體的效率。
低成本
由于具有低電壓和即插即用的特性，PoE安裝和維護成本通常比傳統(tǒng)照明系統(tǒng)要低。比如PoE減少了對更粗、更重銅質電纜的需求，也無需專門的穿墻打洞去布設電源網絡，可以大大減少材料和安裝部署成本。有測算表明，PoE照明系統(tǒng)與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，可以為令用戶節(jié)省25％到30％的費用。
更安全
因為PoE總線電壓在大多數場景中都可以保持在60V直流安全電壓閾值以下，因此避免了交流電源高電壓的危險性（如觸電和火災），使用起來也更為安全。
易擴展
由于可以基于以太網傳輸數據，PoE照明系統(tǒng)的控制端可通過本地網絡進行設置，足夠高的功率也能夠支持在照明燈具節(jié)點端添加更多的傳感模塊，感知環(huán)境光、房間占用情況等與照明控制相關的信息，也可以整合溫度、濕度和空氣質量等傳感器，為整個家居或建筑的數據洞察提供便利。
支持VLC
基于PoE照明系統(tǒng)，還可以延展出一個極具前景的應用——可見光通信（VLC）和定位。顧名思義，VLC就是一種以可見光為媒介傳輸數據流的技術，對于那些對射頻無線干擾特別敏感的區(qū)域（如醫(yī)院或飛機上），VLC在實現無線通信方面具有特殊的價值。在VLC基礎上還可以發(fā)展出室內定位應用——每個燈具都有自己獨特的代碼，通過以人眼無法察覺的頻率調制光線來廣播，由此智能手機或其他配備有攝像頭和相關應用程序的設備能夠對三個或更多燈具的距離進行三角測量，并計算出位置，這種定位精度能夠小于30厘米，可以應用在自動導引車輛（AGV）中，以及為人們在機場、體育場館或醫(yī)院等大型建筑中提供室內導航服務，情景可期。
由此看來，基于PoE的照明系統(tǒng)能夠為人們帶來的，不僅是成本的降低、使用的便利，還有全新的應用和商機，因此在這個領域長期、持續(xù)地投入肯定是值得的。
PoE智能照明解決方案
有了這樣的認知，那么接下來的問題就是：我們應該如何快速地構建起一個PoE智能照明系統(tǒng)。
從上文的介紹中，我們不難看出，一個PoE智能照明系統(tǒng)中，有兩個核心的要素：
● PoE接口控制器：PoE系統(tǒng)中，電力的傳輸通過供電設備（PSE）和受電設備（PD）之間的握手協(xié)議來管理——PSE會檢測PD是否支持PoE及其設備類型、所屬的功率等級，并根據這些信息為PD提供所需的電力。而PoE協(xié)議管理中檢測、分級、供電和維護的全過程，需要一顆專門的PD控制器芯片來完成，以確保整個PoE系統(tǒng)按照相應的標準規(guī)范來行事。
● LED驅動和電源管理：PoE照明系統(tǒng)中，PD控制器在“前端”管理來自以太網的電能，在“后端”則需要有配套的電源管理器件將這些電能高效地利用起來。而且考慮到照明節(jié)點功能的擴展性，這些電源管理器件不僅要有高效的LED燈具驅動功能，還要有能力為更多的傳感器和創(chuàng)新應用（如VLC）提供電源。
安森美（onsemi）一直是PoE技術和智能照明的積極推動者，對于二者結合而成的PoE智能照明解決方案，自然也是頗有心得。
圖3中，展示了一個完整PoE照明系統(tǒng)的架構，針對其中占據C位的PD接口控制器和LED驅動器兩顆芯片，安森美就一直緊隨標準演進的步伐和市場需求的變化，迭代出新。我們今天就來介紹一下圖3中推薦的兩款芯片。
圖3：基于PoE的智能照明系統(tǒng)
（圖源：安森美）
NCP1095和NCP1096大功率PoE-PD控制器
NCP1095和NCP1096是安森美專為滿足新的IEEE 802.3bt PoE標準要求而開發(fā)的以太網供電受電設備（PoE-PD）接口控制器（同時也兼容802.3af和802.3at標準），分配功率高達90W，還可以支持專有的100W+應用。
圖4：NCP1095和NCP1096大功率PoE-PD控制器
（圖源：安森美）
這兩款PoE-PD控制器還支持IEEE 802.3bt新增的Autoclass能量管理特性，讓PD能夠將其特定的功率需求傳遞給PSE，以實現PoE系統(tǒng)更精準的控制，而且支持在浪涌階段進行檢測、分類和電流限制。器件中的電源良好引腳可確保正確關閉和打開相鄰的主DC-DC轉換器；分類結果引腳支持根據分配的功率等級進行操作（最高為8級）。
與NCP1095相比，NCP1096還具有集成的N溝道MOSFET負載開關，連接輔助電源時，有源電橋和熱插拔FET功能禁用，從而可以提高輔助電源為PD供電時的能效。
圖5：NCP1096 PoE-PD控制器框圖
（圖源：安森美）
總之，采用NCP1095和NCP1096，開發(fā)者可以保證PoE設備之間的互操作性，實現IEEE 802.3bt標準所定義的所有性能和功能，極大地兌現PoE標準的價值承諾。
圖6：NCP1095和NCP1096 PoE-PD控制器專為支持802.3bt PoE標準而設計（圖源：安森美）
NCL31000和NCL31001 LED驅動器
NCL31000是安森美新近推出的一款智能LED驅動器，其核心是一個高能效（97%）降壓LED驅動器，可以支持高帶寬模擬調光和低至零電流的PWM調光，具有0.1%的調光精度。
該驅動器還集成了兩個DC-DC轉換器——一個固定的3.3V DC-DC轉換器和一個可調節(jié)的2.5V至24.0V DC-DC降壓轉換器，可用于為傳感器和MCU等系統(tǒng)組件供電，這種將電源管理方案集成到LED驅動器中的設計，極大地簡化了系統(tǒng)架構，同時有利于能效的提高。
圖7：NCL31000 LED驅動器
（圖源：安森美）
NCL31000還提供全面的診斷功能，診斷模塊包含一個ADC，用于測量輸入和LED輸出電流、電壓、LED溫度、DC-DC電壓和電流，以及任何異常情況，并通過I2C/SPI接口提供給系統(tǒng)MCU。此外，NCL31000的架構還確保了其具有出色的抗電磁干擾（EMI）特性，在測試中，它的表現比CISPR15/EN55015的要求低14dB以上。
圖8：NCL31000 LED驅動器系統(tǒng)框圖
（圖源：安森美）
NCL31001作為NCL31000的配套驅動器，其可提供與NCL31000相同的LED驅動特性，但不包括DC-DC轉換器。通過添加NCL31001，開發(fā)者可以很方便地創(chuàng)建一個面向多通道照明應用的方案，支持動態(tài)可調燈具以及多種顏色混合照明應用。
特別值得一提的是，NCL31000和NCL31001的0.1%調光精度和高線性度，使其非常適合于VLC應用，包括VLC室內定位應用，這也就為PoE智能照明系統(tǒng)向新領域的挺進鋪平了道路。
NCL31010 PoE接口LED驅動器
特別值得一提的是，在上述PoE接口控制器和LED驅動器芯片基礎上，安森美又更進一步將兩個功能二合一，推出了全新的NCL31010 PoE接口LED驅動器。
顧名思義，NCL31010是一個高度集成的解決方案，它集成了802.3bt PoE-PD接口控制器、用作LED驅動器的電流模式降壓DC-DC控制器，以及用于主3.3V系統(tǒng)電源的同步降壓DC-DC轉換器及輔助電源。
圖9：NCL31010 PoE接口LED驅動器框圖
（圖源：安森美）
該器件符合802.3bt PoE標準，支持高達90W的大功率應用，并具有在浪涌階段進行檢測、分類和電流限制等PoE系統(tǒng)所需的功能，并能夠支持PWM調光和高帶寬模擬調光。可以說，只需NCL31010一顆芯，就能夠實現PoE廣泛的應用開發(fā)需求。
圖10：NCL31010 PoE接口LED驅動器典型應用圖（圖源：安森美）
本文小結
電燈可以說是伴隨著人類走入電氣化時代的第一個“電器”，由此可見照明是人們生活中必不可少的剛需品之一。因此，當我們步入智能化時代時，對于照明系統(tǒng)進行智能化的升級，也是首當其中的一環(huán)。
PoE以太網供電與LED節(jié)能型照明的結合，為智能照明系統(tǒng)的構架提供了一種高效、靈活、可靠、可擴展的技術路徑，并由此將智能照明的燈具打造成一個復合功能的物聯網邊緣節(jié)點。
安森美為PoE智能照明提供的關鍵器件，以及完整的解決方案，可以讓PoE智能照明系統(tǒng)的研發(fā)和部署更輕松，也讓你能夠緊隨新標準和新應用的步伐，盡享PoE智能照明的紅利。
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