以太网供电技术特征及应用于转换器的设计

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1、以太网供电基本技术特征分折
　　以太网供电（PoE）技术是一种能通过标准以太网电缆提供供电及传送数据的技术。通过以太网获得供电的设备例如网络电话、保安系统摄录机和无线局域网节点都可采用PoE技术。
　　由于通过以太网获得供电的电子设备无需依靠交流电，而且系统的整体成本也较低，因此PoE解决方案很快便大受市场欢迎。以网络电话为例，采用不中断电源供应(UPS)技术可以保证供电更稳定可靠，不易出现浪涌电流、盗电、电力中断等情况。此外，世界各地都普遍采用RJ-45连接器，因此各地的PoE设备可以兼容。采用PoE技术的电子设备不但具有管理上的灵活，而且还具备远程通、断电能力。但以太网集线器的供电量以及以太网电缆的电流传输量毕竟有限。为确保两者不出现过载，国际电子电气工程师协会(IEEE)特别为需要通过以太网获得供电的负载制定802.3afPoE技术标准，确保有关负载的电气特性符合标准。
　　PoE是从中央交换机向以太网连接的设备(VolP电话、WLAN发送器、安全摄像机)供电的方式。使用现有的CAT5电缆就无需交流供电(并省去配线开支)。中央交换机还能够控制用电设备的功率分配，可为重要系统提供复杂的不间断的电源管理。
　　以太网供电工作三个基本功能：一个PoE负载或用电设备(PD)必须具备三个基本功能才可以与供电端的供电设备(PSE)连接。这三个功能分别是发现、分级及欠压锁定。
　　1.1发现阶段-受电设备的检测：
　　当一个激活PoE的以太网电缆插入PD后，即当受电设备(PD)被接入以太网链路时，PSE必须检测每个以太网设备是否需要电源？供电设备(PSE)会向PD发出询问信号判断PD的PoE是否被激活，因而PD必须表现出区别于传统以太网设备的特性，这一阶段被称为发现阶段。IEEE 802.3af标准的PD要求开始于一个25kΩ和小于120nF的特征识别，正是这一特征使PSE通过测量其“检测特征”-共模终端来检测需要供电的设备，将PD从不需要供电的其它以太网设备中区分出来。PD只需要具有这些检测特征，同时其链路处于检测模式，则即可实现检测。也就是说，供电设备(PSE)可以利用特征检测功能，测量电缆阻抗的大小，以确定用电设备(PD)是否已连接。供电设备可以根据其内部设定作出判断，若阻抗的测量值介于23.75kΩ～26.25kΩ，便可断定已连接用电设备。
　　PSE对PD检测的具体方法有二。其一、为实现这种检测，PSE通过测量两个V-I(电压-电流) 点和从它们之间的斜率来计算电阻以判断端口的共模终端来检测需要供电的设备.就是利用2.7V至10.1V的限流电压探测信号线。表1列出检测状态下PSE对要被检测为有效的PD必须具备的参数条件。表1参数之所以允许1.9V的串联电压偏移是因为通常采用二极管桥来控制电压极性。每个PD会用到两个这样的二极管全桥(见图1所示，为用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供电系统简化设计方框图)，因为PD必须向后兼容于中间PSE。而10μA的电流偏移是因为PD内部通常具有一定的泄漏。另外，通过表2给出了另外一系列参数条件，任何满足这些条件的检测都将判定以太网设备为一个无效的PD。

  
　　但由于许多新一代PoE设备所需的供电量往往超过目前的规定标准，因此如LM5072芯片设有特别的功能，容许芯片利用辅助电源提供的供电，而且最高电流可以设定为800mA，使供电可高达25W。
　　其二、需要指出的是，在发现阶段，PSE向PD释放电压斜波并寻找负载(25 kΩ)产生的一个特性阻抗。如果并未检测到正确的阻抗，PSE假定负载的PoE并未激活并会关断PoE的发送端。之后，系统将按照标准的以太网连接方式工作。如果检测到了阻抗信号，PSE将进入分级阶段。信号识别电压是一个2.5 V至l0 V之间的斜波电压。一个24.9 kΩ的电阻即能为发现阶段提供正确的信号阻抗，见图 2(a)所示。

  
　　1.2 分级阶段：
　　PSE继续向PD施加斜波电压。
　　在15 V至20 V范围内，分级阶段发生了。在电压转换期间，PD必须吸收一个特定的电流以确定器件的级别(见图2(b)所示)。24.9 kΩ的识别电阻同样可以进行最简单的级别分级(CIass 0)。分级电流描述了PD在正常操作下所需要的功率大小。PSE则将这一信息输送给控制器，使系统能够确定PD所需的总功率。下表1显示了分级电流及PD工作时对功率的要求。
　　1.3 开启阶段：
　　分级阶段后，当欠压锁定(UVLO)线路被释放及PD可以被供电后，PSE继续抬高斜波电压，最高到30V。此时需要软启动电路来控制由PSE吸取的电流。图2(c)显示了一个典型的欠压锁定电路。
  

　　通过这个过程，PSE与PD共同决定了负载的特性并且仅会向具备PoE功能的设备供电。在中央的系统控制器能够决定负载要求并且在UPS预算供电失败的情况下根据实际需要合理分配功率。
　　2、通过以太网供电成本的节省应用举例
　　用DPA-Switch 芯片与分立设计成28-57VDC，通过以太网供电的输出功率15W的多路输出DC/DC转换器。下面先对DPA-Switch 芯片性能及优势作介绍。
　　2.1 DPA-Switch'性能及优势
　　DPA-Switch'在一个CMOS芯片上集成了高频功率MOSFET、PWM控制器、故障保护及其它控制电路，有效地节约了成本。其性能包括短路及开环保护、可编程的限流点、输入电压欠／过压保护、迟滞热关断、软启动、反馈补偿及遥控开／关机。与传统的分立设计相比，DPA-Switch芯片可节省20多个外围元件，极大地节省了电路板空间及成本。
　　DPA-Switch特点：宽输入电压范围为16 VDC到75 VDC并支持反激及正激式拓扑；省去了所有外围电流检测电路；用于输出过载／开环保护的自动重启动；电压模式控制器可实现75％的占空比而无需斜波补偿，并提供5-10 kHz的环路带宽；具有输入电压欠压(UV)检测并达到ETSI标准与输入电压过压(OV)关断保护及低成本同步整流器，线电压欠／过压关断保护限制了变压器输出的门极驱动电压范围；完全集成的软启动达到最小的器件应力／过冲；外部可编程的限流点可实现高效率低成本设计及功率控制；随输入电压的变化可编程的最大占空比以保证在正激式转换器设计中的磁芯复位。
　　绿色节能：空载(10 mA typ)及遥控关机时(2 mAmax)极低的能耗与轻载时跳频操作可以实现待机时的高效节能。其封装S、P及G均有无铅封装形式(100％磨砂锡)，符合Rolls规定及达到JEDEC的J-STD-020C标准。
　　典型应用：可在PoE用电设备，如VolP电话、WLAN及WAP发送器、安全摄像机、条行码扫描仪、警报系统及烟雾探测器等设备上应用；又可在电信中央办公设备如xDSL、ISDN、PABX等与分布式供电架构(24／48 V公交车等)及工业控制(24／48 V) 等设备上应用。

         2.2 28-57VDC，通过以太网供电的输出功率15W的多路输出DC/DC转换器设计组成
　　图3为用DPA424P DPA-Switch 芯片与其它分立元器件组成的多路输出DC/DC转换器设计图。现对各组成作分析。

  
　　组成1-简化的PoE接口电路：由包括发现识别阻抗的电路 (24.9 kW由2.5 VDC至10 VDC)与包括CIass 0级别分类的电路(C1ass 1，2及3的方案也包括在内)及低成本的双极性晶体管导通开关(至少87％的效率)合成。
　　组成2（a）-集成的电流检测线路及电流限流点：具有严格的经过温度补偿的公差与无电流检测电阻(更高效率)；高功率设计也无需电流传感器，可使用X引脚电阻进行限流编程，最多减少六个元器件，可节省达0.25美元。或用组成2(b)如果采用集成的启动线路，则更高效(不会有“自举电路”的损耗)，最多减少4个元器件， 可节省达0.05美元。
　　组成3-集成的线电压检测线路：能准确的温度稳定性并提供欠压／过压保护，最多减少10个元器件，可节省达0.20美元。
　　组成4-简单同步整流：用DPA Switch芯片为线电压欠／过压关断保护限制了变压器输出的门极驱动电压范围。可节省达0.05美元。
　　组成5(a)-集成的热关断保护线路：能直接感应功率MOSFET温度；具备迟滞特性且能自动再启动；宽的迟滞防止高的平均温度出现；最多可减少4个元器件；可节省达0.15美元。或用组成5(b)集成的电压模式控制器：>50％占空比运行而无需斜波补偿；最多减少10个元器件；节省达0.15美元。
　　组成6精确集成的振荡器-无需外围元件；严格的公差并具有稳定的温度系数；可选300／400 kHz操作；最多减少5个元器件；节省达0．05美元。
　　组成7散热器连接至源级：散热片连接到源级降低EMI(电气上的“安静”点)；降低EMI滤波器成本；节省达0.20美元。
　　3、新型以太网供电(POE)举例
　　3.1超高集成度的POE电源以提升可靠性并降低尺寸和成本

　　它专为以太网供电(POE)系统的受电设备(IP电话，WLAN接入点和，IP相机)和供电设备(交换机/路由器和中跨)而优化的MAX5074。图4(a)为MAX5074应用示意图。

  
　　提高了性能：采用同步整流效率超过90％；保证工作于高达+125℃结温；高达15W的输出功率。
　　提高了可靠性：无限期短路保护和打嗝式阻流降怔短路期间的功耗及热关断保护内部功辜MOSFET。
　　降低了成本:“前瞻信号”驱动副端同步整流器；无需复位绕组／二极管／电容器；故障保护无需外部元件。
　　降低尺寸要求：集成的功率MOSFFET和高达500kH：的开关频率降低外部元件的尺寸。
　　3.2专为以太网供电设计完全兼容于IEEE802.3af的新款电源开关MAX5922
　　MAX5922高集成度方案节省板上空间和成本，IEE802.3af兼容更高的集成度／可靠性，更低成本。主要特性：内置0.450功率FET；设计灵活，即检测禁止输入允许用户跌过检测和分类阶段，可选的欠流负载切断功能，冲突避免检测输入允许用户将器件配置为MiDSPan工作模式，可选的镇定或自动再试故障管理。图4(b)为MAX5922引脚功能与应用示意图。

  
　　4、一件钟种设计简单成本较低可用于PoE供电系统的DC／DC转换器设计
　　从线路布局的角度看，反激式转换器非常适合于PoE供电系统，而事实上反激式转换器也最受欢迎。反激式转换器不但设计极为简单，而且兼顾了成本和效率，适用于隔离式的多输出供电系统，可为典型的应用提供低至几W、高至20W～30W的输出功率。
　　虽然进行低功率操作时，反激式转换器通常都采用非连续导电模式(DCM)，但连续导电模式(CCM)的效率最高，因为以某一输出功率为基准作比较，初级线圈场效应晶体管的均方根(RMS)电流较小。以连续导电模式为例来说，反激式转换器的右半平面零的频率下限可以利用以下公式计算：

  
　　在上述公式中，Vin为输入电压、D为初级线圈场效应晶体管的占空比、lin为平均输入电流，而L则为变压器的磁化电感。上述采用连续导电模式操作，变压器的磁化电感值一般均设定为100μH。若最低输入电压为26V、最高输入电流为360mA，而初级线圈场效应晶体管的相关占空比数值为0.4，若根据以上的数值运算，右半平面零无论在任何操作情况都会处于64kHz的频率下限。对大部分PoE设备来说，这个频率下限对反馈补偿器的设计只会有微不足道的影响。
　　反激式连续导电模式不但设计简单、成本较低，而且还可发挥极高的效率，是PoE设备普遍采用的设计方案。由于LM5070、LM5071及LM5072等几款控制器是高度集成的电路，因此供电系统只需添加极少的外置元件，便符合IEEE802.3af标准的要求。图5是PoE供电系统的典型应用电路图，图中的电路采用LM5072芯片。这是一款内置100VPoE用电设备接口并可支持后备电源的PWM控制器。采用LM5072芯片的好处是用电设备在选择供电来源方面有较大的灵活性，例如不同配置的用电设备都可利用后备电源的供电，其中包括交流电。

  
　　以采用连续模式反激式转换器的电路布局为例，采用快速PWM电流模式控制器会较为理想，因为这样不但可以控制及限制输入电流的流量，而且还可稳定同一电路的输出电压。此外，也可调节功率晶体管的占空比，以便控制线路及电流的瞬态响应。占空比的大小取决于输出电压的误差及锯齿波形，而两者都取决于流人外置电流传感电阻的初级线圈电感电流。
　　可将电流传感信号与内部参考电压加以比较，以便为每一周期设定限流值。我们也可为电流斜波信号提供内部斜率补偿，以便解决占空比超过50％时分谐波振荡所产生的内部不稳定问题。