基于MAX5941B的以太網(wǎng)供電系統DC/DC變換器設計

分析并設計了一種基于MAX5941B控制器的DC-DC轉換器。該轉換器采用電流峰值控制型反激式拓撲，用于以太網(wǎng)供電系統的受電設備中。

以太網(wǎng)供電PoE(Power over Ethernet)技術(shù)正日益受到人們的青睞，它可以消除各終端設備需安裝許多AC 適配器和 AC 插座的要求。

一個(gè)完整的以太網(wǎng)供電系統包括供電設備(PSE)和受電設備(PD)兩部分，兩者基于IEEE802.3af標準建立起有關(guān)連接情況、設備類(lèi)型、功耗級別等方面的信息聯(lián)系。由于受電設備功率較低(≤12.95W)，所以不易實(shí)現高效率和高穩定性。本文分析并設計一種具有成本低、效率高(86%)、輸出與輸入電壓隔離、動(dòng)態(tài)響應好等特點(diǎn)的DC/DC變換器，著(zhù)重對控制回路進(jìn)行了詳細的設計。該轉換器可用于以太網(wǎng)供電系統的受電設備中，符合IEEE802.3af標準。

1 PD接口的實(shí)現

典型的PD需要一個(gè)符合IEEE802.3af的以太網(wǎng)供電接口和一個(gè)DC/DC轉換器，其原理圖如圖1所示。接口電路包括分級電路、UVLO和電流限制電路等，如果采用分立器件構建，將會(huì )使變換器的實(shí)現變得復雜，且成本可能比集成化的接口控制器更高。MAX5941A/MAX5941B集成了PD接口控制器和適用于Flyback和Forward的PWM控制器，使設計變得高效、快捷。

當一個(gè)受電設備插入一個(gè)PoE系統時(shí)，會(huì )依次出現符合一定時(shí)序的三個(gè)階段：檢測、分類(lèi)和供電接通。當PSE輸出電壓在2.7～10.1V之間時(shí)，PD提供符合802.3af標準的25.5kΩ的輸入電阻和0.05μF～0.12μF(如0.1μF)的電容。成功檢測之后，PSE將PD分級來(lái)決定消耗多少電量。0類(lèi)(缺省的最大功率類(lèi))最大功率為12.95W，此時(shí)的檢測電阻RCL=10kΩ。

供電接通電路在檢測/分類(lèi)階段將PD與PSE隔離開(kāi)，這是一種欠壓鎖閉機制。MAX5941B工作電壓可達67V，帶有缺省的UVLO功能(輸入電壓高于39V時(shí)啟動(dòng)，低于30V時(shí)關(guān)斷)。通過(guò)調節外部分壓電阻可以調整門(mén)限電壓值。

2 DC-DC轉換器的實(shí)現

(1)主電路設計

本設計中的受電設備基本規格為：輸入電壓為36~57V，輸出電壓為5V和最大輸出電流為2.5A。選擇適用于中小功率變換的Flyback拓撲，其電路具有簡(jiǎn)潔、成本低、輸出與輸入電壓有電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但是，反激式變換器也具有輸出電壓尖峰較大、需要大容量且能耐高紋波電流的輸出濾波電容等缺點(diǎn)。因此，通常在反激變換器主儲能電容后面加一小型LC濾波器，使電路在開(kāi)關(guān)頻率附近具有約-20dB/dec的衰減[2]。

主電路主要工作在連續電流模式(CCM)。與斷續電流模式(DCM)相比，CCM模式的電流峰值和有效值較低，效率更高。但是，CCM模式的反激變換器控制至輸出傳遞函數之間有一個(gè)右半平面的零點(diǎn)，當占空比開(kāi)始變化時(shí)，輸出將會(huì )先向相反的方向變化，易引起電路的振蕩[3]，其動(dòng)態(tài)特性沒(méi)有DCM模式好。因此，這也是本設計的一個(gè)難點(diǎn)。

3 變壓器設計

反激式變換器設計的最關(guān)鍵因素之一是變壓器的設計。反激式電路的變壓器并不是一個(gè)實(shí)際意義上的變壓器，而是一個(gè)多線(xiàn)圈耦合電感，主要用于存儲能量。在電流連續工作模式下，反激式變壓器的直流分量相當大，交流分量較小，變壓器設計主要受磁芯飽和而非磁芯損耗的限制。

在設計變壓器之前，首先應確定電源參數，如：最大占空比(本設計選擇Dmax=0.42)、開(kāi)關(guān)頻率(MAX5941B的fs≈275kHz)、輸入電壓范圍、輸出功率、變壓器預計效率、磁芯的選擇等。本設計預先選用目前廣泛應用的EFD15/PC40磁芯，其扁平設計為減小電源體積提供了很大幫助。

其次，在開(kāi)始設計CCM反激式變壓器時(shí)，由于原邊繞組的電感只影響開(kāi)關(guān)電源的工作方式，沒(méi)有把它看作是設計變壓器的重要參數。但在考慮最大磁通密度、變壓器損耗(磁芯損耗和銅損)后，在設計中應考慮此電感。在本設計中，取適當的副邊紋波電流峰峰值，利用已選擇好的磁芯，計算出繞組匝數Np=35,Ns=7及Nb=20，原邊電感最大值Lp=158μH，此時(shí)計算出的電感最大值與變壓器損耗最小值是一致的[4]。

為了減小變壓器漏感和線(xiàn)圈之間的鄰近效應，初級繞組采用兩組并聯(lián)，并與次級線(xiàn)圈、偏置繞組交錯繞制。

4 控制回路的設計

MAX5941B為電流峰值型控制器。與電壓型控制相比，電流型控制的優(yōu)點(diǎn)：由于電感電流斜率由輸入電壓Vin和輸出電壓Vo共同決定，輸入電壓的變化使電感電流的波形迅速變化，從而提高了輸出對輸入變化的響應速度;從指令電流到輸出電壓的傳遞函數只有單極點(diǎn)，易于補償;通過(guò)限制最大指令電流，可防止開(kāi)關(guān)管由于過(guò)流而損壞。

為了防止開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，由于變壓器電容和輸出整流管恢復電流而產(chǎn)生的前沿尖峰噪聲，電流取樣時(shí)可加入小電容—電阻進(jìn)行濾波。

假定電感電流脈動(dòng)很小，引入峰值控制信號

，則電流控制模式下，電流為CCM時(shí)控制至輸出的傳遞函數為：