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PoC同轴电缆供电系统设计：你想了解的知识点，都在这儿！
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具体是如何现实：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：
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。
图2：交流信号通路 （图片来源：TI）
电感的阻抗 ZL应足够大，从而避免信号通过电感流失，导致信号衰减。
- 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。
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，以便有效的供电。
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。
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：
- 电感提供足够高的阻抗，以避免降低交流信号。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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：
图 6 电感等效模型 （图片来源于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。
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。
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
当电感两端频率超过该自谐振频率之后，电感表现的不像一个电感。这时，寄生电容 起到主导作用，从而随着频率增高，阻抗反而变低。
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DigiKey网站上选择电感】
通过DigiKey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。
图 10 DigiKey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。
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 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21 dB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。
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。
图12：通过串行器与解串器，实现各模块的互联 （图片来源：TI）
DigiKey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。
图13：通过DigiKey网站，快速筛选串行器和解串器
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的保护高速信号传输，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。
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关于此作者
Alan Yang 是DigiKey在上海的应用工程师，负责分享解决方案和业内技术，以协助客户进行项目设计。他拥有5年的仪器仪表行业电路设计方面的经验，擅长于小信号放大电路的设计开发。Alan毕业于上海理工大学。拥有两个学位，医学影像工程与工商管理。闲暇时，兴趣爱好广泛。喜欢旅行，话剧，阿卡贝拉。
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