单芯片解决方案的以太网馈电系统设计

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单芯片解决方案的以太网馈电系统设计

由于利用以太网馈电的电子设备无需倚靠交流电插座提供供电，而且系统的整体成本也较低，因此以太网馈电解决方案越来越受欢迎。对于网络电话来说，采用不断电电源供应  (UPS)  不但可以保证供电稳定可靠，而且较少出现电源浪涌、盗用、供电中断或切断的情况。此外，由于  RJ-45  电源连接器在世界各地广泛使用，因此世界各地采用以太网馈电技术的电子设备都能兼容，而且符合以太网馈电要求的电子设备还有可灵活管理及远程通电/断电的优点。根据市场调查公司  Venture  Development  Corp.    的调查显示，符合以太网馈电要求的集成电路的全球销量估计会由  2004  年的  1.33  亿颗增至  2007  年的  2.46  亿颗。
   
受电设备  (PD)  只要采用以太网馈电技术，便可通过现有的数据电缆获得电源供应。供电设备  (PSE)  预先准确测量受电设备，以确保该设备符合有关标准的规定。若受电设备符合标准，供电设备便会为其提供  48  伏  (V)  的供电。(参看图  1)



可与  IEEE  标准兼容的受电设备的操作模式

美国的电气及电子工程师学会  (IEEE)  已于  2003  年  6  月通过采纳有关以太网馈电产品的技术标准。IEEE802.3af  技术标准有多个优点，例如规定旧式设备及符合以太网馈电要求的设备同样可以在安全的情况下获得供电，电缆的原有结构可以保留下来，而供电时不会令数据素质下降。IEEE  学会已就这方面的技术制定相关的标准，例如馈电网必须采用内含两对或四对双扭铜线的标准第  5e  类  (Cat  5e)  以太网电缆，而且可以输送  48  伏的直流电，供电量分为  4  类，以每端口可获得的供电量划分，最低供电为  4W，而最高供电则为  15.4W。   

供电设备会先测量电缆的阻抗  (特性确认)，以便通过这样的检测确定受电设备是否已真正连线。若阻抗介于  23.75kW  与  26.25kW  之间，供电设备便可断定受电设备已真正连线。

若电压超过  23  伏，有关技术标准规定必须采用欠压锁定  (UVLO)  功能，以免出现不良特性确认电阻，以及确保在输入电容器获得全面充电而稳压输出开始提供之前有足够的等待时间，直至受电设备获得全面供电。另一方面，供电设备也可取得受电设备的分级电流，以便知道该连线设备所需供电的类别  (参看图  2)。




(图  2：标称电压的检测、分级及输入)
LM5070  芯片的特色及优点

LM5070  高电压以太网馈电控制器采用小巧的  16  管脚封装，可以利用脉冲宽度调制电流模式进行控制，而且具备组建  PoE  输电系统所需的一切功能  (参看图  3)。



(图  3：LM5070  受电设备的系统区域)

美国国家半导体的  LM5070  控制器芯片具备很多独特的功能，令这款芯片很容易融入现成的设计之中：

-        内置的高性能电流模式控制器设有完全符合  IEEE  802.3AF  标准的受电设备接口；
-        用户可自行设定特性确认电阻、欠压锁定  (UVLO)  阈值、浪涌电流及认定的分级电流；
-        浪涌/故障电流限幅保护、可自动重试的每周期电流限幅以及过热停机等功能；
-        欠压锁定阈值及磁滞：系统设计工程师可以利用两个外接电阻分别设定欠压锁定跳转点及磁滞；
-        内部供电顺序：PoE  受电设备接口与直流/直流转换器可在  LM5070  芯片之内互相通信；
-        隔离或非隔离式直流/直流电源供应器配置：非隔离转换器采用高精度电压参考电路与误差放大器集成一起的配置；
-        为隔离转换器设计的光耦合器晶体管提供上拉功能；
-        切断特性确认电阻：完成受电设备的检测之后，25kW的特性确认电阻便会被切断，以免降低功率转换效率。

典型的以太网馈电直流/直流转换器设计：

由于  LM5070    控制器芯片采用高度集成的技术，因此不但可以支持符合  IEEE802.3af  标准的系统设计，而且只需极少外接元件便可提高系统的性能。图  4  显示一款只需加设极少外接元件的非隔离回扫输出电源供应器，例如开关式金属氧化半导体场效应晶体管  (MOSFET)  (Si4848,  150V/3A)、设有初级及次级线圈的变压器、为输出电压提供整流的二极管以及输入与输出电容器等几颗重要的基本元件便在背后为这款电源供应器提供支持。



(图  4：LM5070  是最小化非隔离输出  “0”  级别电源供应器的解决方案。)

回扫连续模式的线路布局比较适宜采用快速的脉冲宽度调制  (PWM)  电流模式控制器，因为这种控制器可以控制输入电流，并为其设定限幅，而且还可稳定同一电路之内的输出电压。只要调节功率晶体管的占空度，便可确定线路及电流的瞬态响应。占空度大小取决于输出电压误差及锯齿波形，后者由流入外接感测电流电阻的初级线圈电感电流所产生。

这款控制器只要将电流感测信号与内部参考电压加以比较，便可为输入电流设定每周期的电流限幅。若占空度超过  50%，次谐波振荡会成为潜在的不稳定因素，但只要为电流斜坡信号提供内部斜率补偿，即使占空度超过  50%，不稳定的问题也不会出现。




(图  5：设有可编程级别设定及可编程浪涌保护电流的隔离回扫电源供应器)

图  5  显示设有可编程级别设定及可编程浪涌保护电流的隔离式以太网馈电解决方案。此外，为了加强故障电流保护功能，这个解决方案还加设了  3  个不同的电流限幅及过热保护功能：

(1)        可编程设定的控制器电流过高保护功能可以抑制启动时产生的电流尖峰。
(2)        若流入主功率  MOSFET  的直流电上升至超过  375mA，电流限幅放大器可以令场效应晶体管出现饱和，使漏极  (RTN)  上升。只要  RTN  上升至  2.5V  wrt  VEE  以上，而  PowerOK  =  0，便会触发软启动，而芯片也会不断尝试重新启动。
(3)        过热限幅功能提供多一个安全保障，以免系统出现错误，或出现其他超越安全警戒的事件。

同时，Coilcraft  公司已为  LM5070  芯片开发了多款采用表面贴装封装的变压器，以确保系统能充分发挥其效率。