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IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太網(wǎng)供電(POE)做出了詳盡的規(guī)定,它允許通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)提供48V電源,IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中定義的電源供電設(shè)備(PSE)是能夠通過(guò)10BASE-T、100BASE-T或者1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)提供電源的DTE或者M(jìn)idspan設(shè)備,而IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中定義的受電設(shè)備(PD)則是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從電源供電設(shè)備(PSE)取得電源的設(shè)備.IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PSE可以提供約13W功率.從而使小型數(shù)據(jù)設(shè)備可以通過(guò)它們的以太網(wǎng)連接獲得電源,而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源.這些設(shè)備包括數(shù)字VoIP電話(huà)、網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)、因特網(wǎng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)電話(huà)、安全攝像機(jī)或任何以太網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)設(shè)備.IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的推出,大大擴(kuò)展了以太網(wǎng)的應(yīng)用,同時(shí)也給以太網(wǎng)帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間. 1 MAX5941的功能 MAX5941A/MAX5941B是一款高度集成的電源IC,適用于以太網(wǎng)供電(POE)系統(tǒng)中的受電設(shè)備(PD).MAX5941A/MAX5941B有兩個(gè)功能,一是提供PSE與PD之間的接口,二是通過(guò)DC-DC PWM控制器實(shí)現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換以輸出5V或者PD所需要的電壓,輸出電壓可實(shí)現(xiàn)隔離或者非隔離.MAX5941A的最大占空比為85%,可用于反激式轉(zhuǎn)換器.MAX5941B的占空比限制在50%以?xún)?nèi),主要用于單端正激式轉(zhuǎn)換器中. 2 IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD接口特性 MAX5941的PD接口特性符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn),可為PD提供偵測(cè)特征信號(hào)和分級(jí)信號(hào),此外,MAX5941還集成了一個(gè)具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開(kāi)關(guān),同時(shí)還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定(UVLO)以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能. 在偵測(cè)和分級(jí)期間,由于集成的MOSFET可提供PD隔離,MAX5941可保證偵測(cè)階段的泄漏電流失調(diào)小于10μA.其可編程限流功能可防止上電期間產(chǎn)生很高的浪涌電流.這些器件的UVLO供電模式具有寬滯回和長(zhǎng)故障消隱時(shí)間等特性,因而可補(bǔ)償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減,并確保系統(tǒng)在偵測(cè)、分級(jí)和上/掉電諸狀態(tài)間無(wú)擾動(dòng)地轉(zhuǎn)換.MAX5941的UVLO門(mén)限可調(diào),并具有一個(gè)兼容于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的缺省值.MAX5941可工作于PD前帶有或不帶二級(jí)管橋的設(shè)計(jì)中. MAX5941有三種不同的工作模式:PD偵測(cè)、PD分級(jí)和PD供電模式. 偵測(cè)模式(1.4V≤VIN≤10.1V)下,供電設(shè)備(PSE)將向VIN施加兩種1.4V～10.1V范圍內(nèi)的電壓(最小步長(zhǎng)1V),然后記錄兩個(gè)點(diǎn)的電流值,并由PSE計(jì)算ΔV/ΔI,以確認(rèn)25.5kΩ特征電阻是否存在.在此模式下,MAX5941內(nèi)部的大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài),失調(diào)電流小于10μA.如果施加在PD上的電壓有可能被顛倒,則需要在輸入端安裝保護(hù)二極管,以免對(duì)MAX5941造成內(nèi)部損傷.由于PSE使用斜率技術(shù)(ΔV/ΔI)來(lái)計(jì)算特征阻抗,這樣,保護(hù)二極管引起的直流偏差已被扣除,因而不會(huì)影響偵測(cè)過(guò)程. 分級(jí)模式(12.6V≤VIN≤20V)下,PSE根據(jù)PD所要求的功率對(duì)PD進(jìn)行分級(jí).以便PSE高效地管理功率分配.IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了五個(gè)不同的級(jí)別.分級(jí)電流可由連接在RCL與VEE之間的外部電阻(RCL)來(lái)設(shè)定.PSE通過(guò)在PD輸入端施加一個(gè)電壓,以及測(cè)量流出PSE的電流來(lái)確定PD的分級(jí).當(dāng)PSE施加一個(gè)介于12.6V～20V之間的電壓時(shí).PSE利用分級(jí)電流信息區(qū)分PD所需要的功率.分級(jí)電流包括25.5kΩ?jìng)蓽y(cè)特征電阻吸收的電流和MAX5941的電源電流,PD吸收的總電流應(yīng)在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi).進(jìn)入供電模式后,分級(jí)電流將被關(guān)斷. 供電模式下,當(dāng)VIN上升至欠壓鎖定門(mén)限( VUV-LO,ON)以上時(shí),MAX5941將逐步開(kāi)啟內(nèi)部N溝道MOSFET管Q1.圖1是MAX5941的內(nèi)部接口電路框圖.MAX5941用一個(gè)恒流(典型值為10μA)對(duì)Q1柵極充電.Q1的漏-柵電容限制了MOSFET漏極電壓的上升速率,因而限制了浪涌電流.為了降低浪涌電流,也可在外部添加漏-柵電容.當(dāng)Q1的漏-源電壓降至1.2V以下,且柵-源電壓高于5V時(shí),MAX5941會(huì)發(fā)出“電源好”信號(hào).由于MAX5941具有較寬的UVLO滯回和關(guān)斷消隱時(shí)間,因而可補(bǔ)償雙絞電纜的高阻抗. 3 用MAX5941實(shí)現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換 MAX5941是電流模式的PWM控制器,可將48V輸入電源轉(zhuǎn)換成5V電壓輸出,MAX5941用內(nèi)部穩(wěn)壓器取代高功耗的啟動(dòng)電阻,這不但可為MAX5941提供啟動(dòng)所需的電能,還能穩(wěn)定第三(偏置)繞組的輸出電壓,從而為IC提供穩(wěn)定的工作電源.開(kāi)始啟動(dòng)時(shí),調(diào)節(jié)器將V+調(diào)整到VCC并為器件提供偏置.啟動(dòng)之后,改由VDD穩(wěn)壓器從第三繞組輸出穩(wěn)定的VCC.此結(jié)構(gòu)只需一只很小的電容即可對(duì)第三繞組的輸出進(jìn)行濾波,從而省下了一只濾波電感的成本. 在設(shè)計(jì)第三繞組時(shí),所設(shè)計(jì)的線(xiàn)圈匝數(shù)應(yīng)保證最小反射電壓始終大于12.7V.而最大反射電壓則必須小于36V. 為降低功耗,當(dāng)VDD電壓達(dá)到12.7V后,可以將高壓調(diào)節(jié)器關(guān)掉.這樣可以降低功耗并改善效率.如果VCC降低到欠壓鎖定門(mén)限(VCC=6.6V)以下,低壓調(diào)節(jié)器將被關(guān)閉,電路重新進(jìn)入軟啟動(dòng).此時(shí)欠壓鎖定狀態(tài)MOSFET驅(qū)動(dòng)器的輸出(NDRV)保持為低. 如果輸入電壓介于13～36V之間,只要不超出最大功耗,就可以將V+和VDD連接到線(xiàn)電壓.這樣就可省掉第三繞組. 4 MAX5941的設(shè)計(jì)實(shí)例 MAX5941的一般設(shè)計(jì)步驟如下: ●確定具體需求 ●設(shè)定輸出電壓 ●計(jì)算變壓器主、副繞組匝比 ●計(jì)算復(fù)位繞組與主繞組匝比 ●計(jì)算第三繞組與主繞組匝比 ●計(jì)算檢流電阻值 ●計(jì)算輸出電感值 ●選擇輸出電容. 圖2是用MAX5941B設(shè)計(jì)的正激式DC/DC轉(zhuǎn)換器,具體計(jì)算如下: (1)對(duì)于30V≤VIN≤67V,VOUT=5V,IOUT=10A,VRIPPLE≤50mV的要求.開(kāi)啟門(mén)限應(yīng)設(shè)為38.6V. (2)設(shè)定輸出電壓時(shí),可根據(jù)下式計(jì)算電阻R1和R2: VREF/VOUT=R2/(R1+R2) 式中VREF是并聯(lián)調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓. (3)根據(jù)最小輸入電壓和MAX5941B的最大占空比下限(44%)計(jì)算變壓器匝比時(shí),為了能夠使用漏-源擊穿電壓小于200V的MOSFET,本設(shè)計(jì)選用最大占空比為50%的MAX5941B.然后根據(jù)下式計(jì)算匝數(shù)比: NS/NP≥(VOUT+VD1×DMAX)/(DMAX×VIN_MIN) 式中:NS/NP為匝數(shù)比(NS是副繞組匝數(shù),NP是主繞組匝數(shù)),VOUT為輸出電壓(5V),VD1為D1上的壓降(功率肖特基二極管典型壓降為0.5V),DMAX為最大工作占空比的最小值(44%),VIN_MIN為最小輸入電壓(30V),對(duì)于本例:NS/NP≥0.395,選擇NP =14時(shí),NS=6. (4)較低的復(fù)位繞組匝比(NR/NP)可確保變壓器中的所有能量在最大占空比下的關(guān)閉周期內(nèi)能夠全部返回V+.可用下式來(lái)確定復(fù)位繞組匝比: NR≤NP×(1-DMAX')/DMAX' 式中:NR/NP為復(fù)位繞組匝比,DMAX'為占空比的最大值(50%),計(jì)算NR=14. (5)選擇第三繞組匝比(NT/NP),以使最小輸入電壓能夠在VDD處提供最小工作電壓(13V).可采用下式計(jì)算第三繞組匝比: NP(VDDMIN +0.7)/ VIN_MIN≤NT≤NP(VDDMAX+0.7)/ VIN_MAX 式中:VDDMIN是最小VDD電源電壓(13V),VDDMAX是最大VDD電源電壓(30V),VIN_MIN是最小輸入電壓(30V),VIN_MAX是最大輸入電壓(本設(shè)計(jì)為67V),NP是主繞組匝數(shù),NT是第三繞組匝數(shù):可選擇NT=7. (6)根據(jù)下式選擇RSENSE: RSENSE≤VILIM/(NS×1.2×IOUTMAX/NP) 式中:VILIM是檢流比較器的觸發(fā)門(mén)限電壓(0.465V),NS/NP是副端匝比(本例為5/14),IOUTMAX是最大直流輸出電流(本例為10A),RSENSE選90.4mΩ. (7)選擇電感時(shí),應(yīng)使電感中的峰值紋波電流(LIR)介于最大輸出電流的10%和20%之間: L≥(VOUT+VD)(1-DMIN)/(2LIR×275kHz×IOUTMAX) 式中VD是輸出肖特基二極管的正向壓降(0.5V),LIR是電感紋波電流與直流輸出電流之比.本例中,L選4.01μH. (8)輸出濾波電容的容量和ESR可決定輸出紋波.選擇低ESR電容有利于滿(mǎn)足紋波電壓的要求.圖2中選擇了三只560μF的電容. |
