作者:Alan Yang@DigiKey

PoC方案广泛应用于汽车、摄像头模块和其他类似的远程设备。一些应用中,设备可能会遇到供电困难的问题。而PoC允许在一根电缆中叠加信号和电源,解决了供电困难问题。

本文介绍PoC的原理,结合实例来看看PoC具体是如何实现:在一根线缆上同时直流供电和传输交流信号。

什么是PoC?

PoC(Power Over Coaxial)同轴供电技术。利用电源叠加技术,通过一根同轴电缆同时传输交流信号与直流供电。

我们以安装在屋顶天线上的无线电放大器举例:

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(1)

图1:屋顶天线上的无线电放大器 (图片来源:TI)

如上图,通过一根同轴电缆,连接屋顶的电线与家里的接收器。天线的放大器部分,需要额外的供电。我们可以看到通过一根同轴电缆,即给放大器供电,又实现了信号传输。

PoC工作原理

在一根线缆上同时传输交流信号和直流供电,不会打架吗?

我们可以通过简单的电容、电感来分开直流通路与交流信号通路。从而使得交流信号和直流供电,通过一根线缆传输时互不干扰。

交流信号通路

对于高频交流信号,电容的阻抗很低,电感的阻抗很高。

由于这一特性,高速交流信号能够通过同轴电缆传输交流信号。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(2)

图2:交流信号通路 (图片来源:TI)

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(3)

直流供电通路

对于直流供电,电容的阻抗很高,电感的阻抗很低。

因此,电源可以通过电感注入同轴电缆线,另一端通过电感提取。然后用它为本地放大器供电。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(4)

图3:直流供电通道 (图片来源:TI)

电感内阻和导线电阻应足够低,以便有效地供电。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(5)

图4:阻抗与频率的关系 (图片来源于TI)

随着频率的增加,电容的阻抗越来越小,电感的阻抗越来愈大。从而直通供电通路的增益越来越小,交流信号通路的增益越来越大。

PoC设计要点

由以上的分析可以看出,设计的关键是:通过电感电容的选择,尽量让交流信号通路和直流供电通路相互不受对方影响。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(6)

图5:交流信号通路vs直流供电通路 (图片来源:TI)

交流信号通路

  1. 电感提供足够高的阻抗,以避免降低交流信号。
  2. 电感应该具有高饱和电流,以便能够支持满载时的直流电流。
  3. 通过电感的噪声或干扰信号必须保持足够低,以避免降低信号质量。

直流供电通路

  1. 电感内阻与导线电阻必须保持足够低,避免损耗过多能量,以便有效的供电。
  2. 为了供电效率提高,通常使用更高的供电电压。而当使用更高的供电电压时,交流耦合电容必须具有相应的高压额定值,以承受高压。
选择合适的电感

选择合适的电感,是设计PoC的关键点。对于高频信号传输,电感已经不再是一个简单的电感,我们还要考虑电感的寄生电容电阻,下面是电感的等效模型:

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(7)

图6:电感等效模型 (图片来源:TI)

以下是选择电感时需要考虑的关键参数:

L:电感值

理想的电感阻抗会与频率成比例增加,但实际的电感却并非如此。阻抗曲线呈抛物线形。在电感值的选择中,我们要保证在较宽的信号传输频率范围内都要保持高阻抗。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(8)

图7:频率与电感值 (图片来源于TI)

ISAT:电感磁芯饱和电流

磁芯饱和时,电感值显著下降,从而无法再支持高阻抗。因此,ISAT的选择必须足够高,以支持电路的全部直流电流。IDC应该远远小于ISAT。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(9)

图8:磁芯饱和时,电感值显著下降 (图片来源于TI)

RL:电感的内部电阻

RL越低越好,这样直接供电时,电感上就不会产生太多的压降,从而影响功率传输。

SRF: 自谐振频率

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(10)

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(11)

图9:自谐振频率与工作频率范围(图片来源于TI)

因此,SRF必须选择足够高的频率,以便支持电路的工作频率。当工作频率范围在电感SRF附近时,电感阻抗最高,对交流信号传输影响最小。电感必须具有足够宽的带宽,以便能够支持信号的工作频率。

小贴士:— 在Digi-Key网站上选择电感

通过Digi-Key电感产品页面可以快速筛选饱和电流,自谐振频率等参数,找到合适的电感产品。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(12)

图10:Digi-Key网站,快速筛选饱和电流、自谐振频率

设计实例

下面这个设计实例中,使用了TI的FPD Link III串行器与解串器,实现远程摄像头模块的供电与信号传输。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(13)

图11:远程摄像头模块的供电与信号传输

上面的示例中,可通过长达几米的单根线缆实现以下功能:

  1. 直流供电
  2. 双向的控制信号传输
  3. 高速视频信号非压缩传输

TI FPD LinkIII串行器\解串器

TIFPD Link III设备还包括自适应均衡器技术,可在2.1 GHz下补偿高达21dB的损耗,从而能够使用非常细的AWG 28至AWG32的线缆。AWG编号越高,电缆越细,信号损耗越高。

更多TI串行器与解串器

通过串行器与解串器的选择,还可以实现多个各种模块之间的互联。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(14)

图12:通过串行器与解串器,实现各模块的互联(图片来源:TI)

Digi-Key网站中可以提供串行器和解串器的参数筛选功能,包括输入输出类型的匹配,数据速率等。

监控poe供电就是网线供电吗(PoC同轴电缆供电系统设计)(15)

输入输出类型 图13:通过Digi-Key网站,快速筛选串行器和解串器

同轴电缆

同轴电缆通经常用于PoC这种方案,同轴电缆的屏蔽层可以有效地保护高速信号传输,免受EMI干扰,同时屏蔽层可以充当直流电流的返回路径。

本文小结

PoC用于在广泛的工业、医疗和消费者应用中实现无压缩、低延迟的视频数据链路。特别是对于安装电源困难的地方,PoC能够节约成本和空间, 未来的前景会越来越好。

最后,如果你喜欢这篇文章吗,别忘了点赞 分享哦!

更多有关同轴电缆的文章,请访问Digi-Key官网,也欢迎大家在文末留言讨论。

,