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1、以太網供電基本技術特征分折 以太網供電（PoE）技術是一種能通過標準以太網電纜提供供電及傳送數據的技術。通過以太網獲得供電的設備例如網絡電話、保安系統攝錄機和無線局域網節點都可采用PoE技術。 由于通過以太網獲得供電的電子設備無需依靠交流電，而且系統的整體成本也較低，因此PoE解決方案很快便大受市場歡迎。以網絡電話為例，采用不中斷電源供應(UPS)技術可以保證供電更穩定可靠，不易出現浪涌電流、盜電、電力中斷等情況。此外，世界各地都普遍采用RJ-45連接器，因此各地的PoE設備可以兼容。采用PoE技術的電子設備不但具有管理上的靈活，而且還具備遠程通、斷電能力。但以太網集線器的供電量以及以太網電纜的電流傳輸量畢竟有限。為確保兩者不出現過載，國際電子電氣工程師協會(IEEE)特別為需要通過以太網獲得供電的負載制定802.3afPoE技術標準，確保有關負載的電氣特性符合標準。 PoE是從中央交換機向以太網連接的設備(VolP電話、WLAN發送器、安全攝像機)供電的方式。使用現有的CAT5電纜就無需交流供電(并省去配線開支)。中央交換機還能夠控制用電設備的功率分配，可為重要系統提供復雜的不間斷的電源管理。 以太網供電工作三個基本功能：一個PoE負載或用電設備(PD)必須具備三個基本功能才可以與供電端的供電設備(PSE)連接。這三個功能分別是發現、分級及欠壓鎖定。 1.1發現階段-受電設備的檢測： 當一個激活PoE的以太網電纜插入PD后，即當受電設備(PD)被接入以太網鏈路時，PSE必須檢測每個以太網設備是否需要電源？供電設備(PSE)會向PD發出詢問信號判斷PD的PoE是否被激活，因而PD必須表現出區別于傳統以太網設備的特性，這一階段被稱為發現階段。IEEE 802.3af標準的PD要求開始于一個25kΩ和小于120nF的特征識別，正是這一特征使PSE通過測量其“檢測特征”-共模終端來檢測需要供電的設備，將PD從不需要供電的其它以太網設備中區分出來。PD只需要具有這些檢測特征，同時其鏈路處于檢測模式，則即可實現檢測。也就是說，供電設備(PSE)可以利用特征檢測功能，測量電纜阻抗的大小，以確定用電設備(PD)是否已連接。供電設備可以根據其內部設定作出判斷，若阻抗的測量值介于23.75kΩ～26.25kΩ，便可斷定已連接用電設備。 PSE對PD檢測的具體方法有二。其一、為實現這種檢測，PSE通過測量兩個V-I(電壓-電流) 點和從它們之間的斜率來計算電阻以判斷端口的共模終端來檢測需要供電的設備.就是利用2.7V至10.1V的限流電壓探測信號線。表1列出檢測狀態下PSE對要被檢測為有效的PD必須具備的參數條件。表1參數之所以允許1.9V的串聯電壓偏移是因為通常采用二極管橋來控制電壓極性。每個PD會用到兩個這樣的二極管全橋(見圖1所示，為用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供電系統簡化設計方框圖)，因為PD必須向后兼容于中間PSE。而10μA的電流偏移是因為PD內部通常具有一定的泄漏。另外，通過表2給出了另外一系列參數條件，任何滿足這些條件的檢測都將判定以太網設備為一個無效的PD。 但由于許多新一代PoE設備所需的供電量往往超過目前的規定標準，因此如LM5072芯片設有特別的功能，容許芯片利用輔助電源提供的供電，而且最高電流可以設定為800mA，使供電可高達25W。 其二、需要指出的是，在發現階段，PSE向PD釋放電壓斜波并尋找負載(25 kΩ)產生的一個特性阻抗。如果并未檢測到正確的阻抗，PSE假定負載的PoE并未激活并會關斷PoE的發送端。之后，系統將按照標準的以太網連接方式工作。如果檢測到了阻抗信號，PSE將進入分級階段。信號識別電壓是一個2.5 V至l0 V之間的斜波電壓。一個24.9 kΩ的電阻即能為發現階段提供正確的信號阻抗，見圖 2(a)所示。 1.2 分級階段： PSE繼續向PD施加斜波電壓。 在15 V至20 V范圍內，分級階段發生了。在電壓轉換期間，PD必須吸收一個特定的電流以確定器件的級別(見圖2(b)所示)。24.9 kΩ的識別電阻同樣可以進行最簡單的級別分級(CIass 0)。分級電流描述了PD在正常操作下所需要的功率大小。PSE則將這一信息輸送給控制器，使系統能夠確定PD所需的總功率。下表1顯示了分級電流及PD工作時對功率的要求。 1.3 開啟階段： 分級階段后，當欠壓鎖定(UVLO)線路被釋放及PD可以被供電后，PSE繼續抬高斜波電壓，最高到30V。此時需要軟啟動電路來控制由PSE吸取的電流。圖2(c)顯示了一個典型的欠壓鎖定電路。 通過這個過程，PSE與PD共同決定了負載的特性并且僅會向具備PoE功能的設備供電。在中央的系統控制器能夠決定負載要求并且在UPS預算供電失敗的情況下根據實際需要合理分配功率。 2、通過以太網供電成本的節省應用舉例 用DPA-Switch 芯片與分立設計成28-57VDC，通過以太網供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉換器。下面先對DPA-Switch 芯片性能及優勢作介紹。 2.1 DPA-Switch'性能及優勢 DPA-Switch'在一個CMOS芯片上集成了高頻功率MOSFET、PWM控制器、故障保護及其它控制電路，有效地節約了成本。其性能包括短路及開環保護、可編程的限流點、輸入電壓欠／過壓保護、遲滯熱關斷、軟啟動、反饋補償及遙控開／關機。與傳統的分立設計相比，DPA-Switch芯片可節省20多個外圍元件，極大地節省了電路板空間及成本。 DPA-Switch特點：寬輸入電壓范圍為16 VDC到75 VDC并支持反激及正激式拓撲；省去了所有外圍電流檢測電路；用于輸出過載／開環保護的自動重啟動；電壓模式控制器可實現75％的占空比而無需斜波補償，并提供5-10 kHz的環路帶寬；具有輸入電壓欠壓(UV)檢測并達到ETSI標準與輸入電壓過壓(OV)關斷保護及低成本同步整流器，線電壓欠／過壓關斷保護限制了變壓器輸出的門極驅動電壓范圍；完全集成的軟啟動達到最小的器件應力／過沖；外部可編程的限流點可實現高效率低成本設計及功率控制；隨輸入電壓的變化可編程的最大占空比以保證在正激式轉換器設計中的磁芯復位。 綠色節能：空載(10 mA typ)及遙控關機時(2 mAmax)極低的能耗與輕載時跳頻操作可以實現待機時的高效節能。其封裝S、P及G均有無鉛封裝形式(100％磨砂錫)，符合Rolls規定及達到JEDEC的J-STD-020C標準。 典型應用：可在PoE用電設備，如VolP電話、WLAN及WAP發送器、安全攝像機、條行碼掃描儀、警報系統及煙霧探測器等設備上應用；又可在電信中央辦公設備如xDSL、ISDN、PABX等與分布式供電架構(24／48 V公交車等)及工業控制(24／48 V) 等設備上應用。 2.2 28-57VDC，通過以太網供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉換器設計組成 圖3為用DPA424P DPA-Switch 芯片與其它分立元器件組成的多路輸出DC/DC轉換器設計圖。現對各組成作分析。 組成1-簡化的PoE接口電路：由包括發現識別阻抗的電路 (24.9 kW由2.5 VDC至10 VDC)與包括CIass 0級別分類的電路(C1ass 1，2及3的方案也包括在內)及低成本的雙極性晶體管導通開關(至少87％的效率)合成。 組成2（a）-集成的電流檢測線路及電流限流點：具有嚴格的經過溫度補償的公差與無電流檢測電阻(更高效率)；高功率設計也無需電流傳感器，可使用X引腳電阻進行限流編程，最多減少六個元器件，可節省達0.25美元。或用組成2(b)如果采用集成的啟動線路，則更高效(不會有“自舉電路”的損耗)，最多減少4個元器件， 可節省達0.05美元。 組成3-集成的線電壓檢測線路：能準確的溫度穩定性并提供欠壓／過壓保護，最多減少10個元器件，可節省達0.20美元。 組成4-簡單同步整流：用DPA Switch芯片為線電壓欠／過壓關斷保護限制了變壓器輸出的門極驅動電壓范圍。可節省達0.05美元。 組成5(a)-集成的熱關斷保護線路：能直接感應功率MOSFET溫度；具備遲滯特性且能自動再啟動；寬的遲滯防止高的平均溫度出現；最多可減少4個元器件；可節省達0.15美元。或用組成5(b)集成的電壓模式控制器：>50％占空比運行而無需斜波補償；最多減少10個元器件；節省達0.15美元。 組成6精確集成的振蕩器-無需外圍元件；嚴格的公差并具有穩定的溫度系數；可選300／400 kHz操作；最多減少5個元器件；節省達0．05美元。 組成7散熱器連接至源級：散熱片連接到源級降低EMI(電氣上的“安靜”點)；降低EMI濾波器成本；節省達0.20美元。 3、新型以太網供電(POE)舉例 3.1超高集成度的POE電源以提升可靠性并降低尺寸和成本 它專為以太網供電(POE)系統的受電設備(IP電話，WLAN接入點和，IP相機)和供電設備(交換機/路由器和中跨)而優化的MAX5074。圖4(a)為MAX5074應用示意圖。 提高了性能：采用同步整流效率超過90％；保證工作于高達+125℃結溫；高達15W的輸出功率。 提高了可靠性：無限期短路保護和打嗝式阻流降怔短路期間的功耗及熱關斷保護內部功辜MOSFET。 降低了成本:“前瞻信號”驅動副端同步整流器；無需復位繞組／二極管／電容器；故障保護無需外部元件。 降低尺寸要求：集成的功率MOSFFET和高達500kH：的開關頻率降低外部元件的尺寸。 3.2專為以太網供電設計完全兼容于IEEE802.3af的新款電源開關MAX5922 MAX5922高集成度方案節省板上空間和成本，IEE802.3af兼容更高的集成度／可靠性，更低成本。主要特性：內置0.450功率FET；設計靈活，即檢測禁止輸入允許用戶跌過檢測和分類階段，可選的欠流負載切斷功能，沖突避免檢測輸入允許用戶將器件配置為Midspan工作模式，可選的鎮定或自動再試故障管理。圖4(b)為MAX5922引腳功能與應用示意圖。 4、一件鐘種設計簡單成本較低可用于PoE供電系統的DC／DC轉換器設計 從線路布局的角度看，反激式轉換器非常適合于PoE供電系統，而事實上反激式轉換器也最受歡迎。反激式轉換器不但設計極為簡單，而且兼顧了成本和效率，適用于隔離式的多輸出供電系統，可為典型的應用提供低至幾W、高至20W～30W的輸出功率。 雖然進行低功率操作時，反激式轉換器通常都采用非連續導電模式(DCM)，但連續導電模式(CCM)的效率最高，因為以某一輸出功率為基準作比較，初級線圈場效應晶體管的均方根(RMS)電流較小。以連續導電模式為例來說，反激式轉換器的右半平面零的頻率下限可以利用以下公式計算： 在上述公式中，Vin為輸入電壓、D為初級線圈場效應晶體管的占空比、lin為平均輸入電流，而L則為變壓器的磁化電感。上述采用連續導電模式操作，變壓器的磁化電感值一般均設定為100μH。若最低輸入電壓為26V、最高輸入電流為360mA，而初級線圈場效應晶體管的相關占空比數值為0.4，若根據以上的數值運算，右半平面零無論在任何操作情況都會處于64kHz的頻率下限。對大部分PoE設備來說，這個頻率下限對反饋補償器的設計只會有微不足道的影響。 反激式連續導電模式不但設計簡單、成本較低，而且還可發揮極高的效率，是PoE設備普遍采用的設計方案。由于LM5070、LM5071及LM5072等幾款控制器是高度集成的電路，因此供電系統只需添加極少的外置元件，便符合IEEE802.3af標準的要求。圖5是PoE供電系統的典型應用電路圖，圖中的電路采用LM5072芯片。這是一款內置100VPoE用電設備接口并可支持后備電源的PWM控制器。采用LM5072芯片的好處是用電設備在選擇供電來源方面有較大的靈活性，例如不同配置的用電設備都可利用后備電源的供電，其中包括交流電。 以采用連續模式反激式轉換器的電路布局為例，采用快速PWM電流模式控制器會較為理想，因為這樣不但可以控制及限制輸入電流的流量，而且還可穩定同一電路的輸出電壓。此外，也可調節功率晶體管的占空比，以便控制線路及電流的瞬態響應。占空比的大小取決于輸出電壓的誤差及鋸齒波形，而兩者都取決于流人外置電流傳感電阻的初級線圈電感電流。 可將電流傳感信號與內部參考電壓加以比較，以便為每一周期設定限流值。我們也可為電流斜波信號提供內部斜率補償，以便解決占空比超過50％時分諧波振蕩所產生的內部不穩定問題。 |
