一種應對PoE受電設備設計挑戰的解決方案

標簽：電源 以太網(wǎng)

POE (Power Over Ethernet)指的是在現有的以太網(wǎng)Cat.5布線(xiàn)基礎架構不作任何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端(如IP電話(huà)機、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò )攝像機等)傳輸數據信號的同時(shí)，還能為此類(lèi)設備提供直流供電的技術(shù)。POE技術(shù)能在確?，F有結構化布線(xiàn)安全的同時(shí)保證現有網(wǎng)絡(luò )的正常運作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af標準是基于以太網(wǎng)供電系統POE的新標準，它在IEEE 802.3的基礎上增加了通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)直接供電的相關(guān)標準，是現有以太網(wǎng)標準的擴展，也是第一個(gè)關(guān)于電源分配的國際標準。

為了在新的產(chǎn)品應用中奪取和保持市場(chǎng)占有率，降低PoE受電設備(PD)中電源級所占用的成本而同時(shí)不犧牲可靠性是至關(guān)重要的。本文所提出的解決方案可降低成本并提高PD電源級的可靠和穩定性。

對于集成PD電源電路，電源管理IC制造商一般采取下列兩種方法之一(參見(jiàn)圖1)：

圖1：兩個(gè)分立接口電路：a) 對0級;b) 對1、2和3級

A. 將前端接口電路和一個(gè)用于DC-DC轉換器(驅動(dòng)一個(gè)分立功率MOSFET)的PWM控制器集成在一片IC上。B. 將一個(gè)功率MOSFET、PWM控制器和用于DC-DC轉換器的所有支持電路集成在一片IC上。

第一種方法看來(lái)要把大多數電路集成到芯片之中。然而，它不是理想的解決方案，因為接口電路僅僅具有一種可變功能：識別PD的級別(0, 1, 2或3)。在IC內集成如此簡(jiǎn)單的電路并未對晶圓面積進(jìn)行最有成本效益地利用，特別是僅使用幾個(gè)標準的獨立元件就可以低廉的成本實(shí)現的電路，這些獨立元件還可在另個(gè)新設計中重復使用。

圖2：兩種用于PD電源級的最常見(jiàn)集成方法

圖2顯示了兩個(gè)分立接口電路。左側電路實(shí)現一個(gè)0級PD,在大批量生產(chǎn)中的成本僅僅為9美分;右側電路成本為20美分，通過(guò)改變唯一的電阻(R16)的數值，可以把PD分為1、2或3級。

DC-DC轉換器比接口電路要復雜得多，因此，第二種方法(圖1中B) 如果把支持DC-DC轉換需要的所有功能都集成在IC內部的話(huà)，是可以極大地簡(jiǎn)化設計。

面向PoE應用的電源轉換IC

DC/DC轉換器為轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC轉換器分為三類(lèi)：升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。根據需求可采用三類(lèi)控制。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長(cháng)時(shí)間使用，尤其小負載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。PWM/PFM轉換型小負載時(shí)實(shí)行PFM控制，且在重負載時(shí)自動(dòng)轉換到PWM控制。目前DC-DC轉換器廣泛應用于手機、MP3、數碼相機、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類(lèi)型分類(lèi)上屬于斬波電路。

因為直通開(kāi)關(guān)MOSFET的漏極被連接到DC-DC轉換器的開(kāi)關(guān)MOSFET的源極，現有辦法不能把一切都集成到一顆單片晶圓上。一些包含多顆晶圓的IC正開(kāi)始出現，然而，它們可能價(jià)格不菲。因此，要么選擇把前端和一個(gè)PWM控制器集成在一起的單片芯片，要么選擇把PWM控制器、功率MOSFET和相關(guān)支持電路集成在一起的單片芯片。

因為設計時(shí)間的大半將花在DC-DC轉換器上，把常用支持功能集成在所選擇的IC之中是至關(guān)重要的。下列就是在一款I(lǐng)C中應包括的集成功能：

過(guò)熱保護：

安全和高度可靠的DC-DC轉換器具有熱感測和過(guò)熱保護。MOSFET開(kāi)關(guān)可能是所有開(kāi)關(guān)轉換器中最易發(fā)熱的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其溫度必須被感測出來(lái)以提供熱保護。當采用分立MOSFET開(kāi)關(guān)的時(shí)候，必須安裝熱傳感器以便它直接與MOSFET接觸，這通常需要一些手工安裝的步驟。然而，當MOSFET與控制器一道被集成在同一晶圓上的時(shí)候，控制器可以直接感測MOSFET溫度。這就省略了把熱傳感器連接到分立MOSFET時(shí)所需要的手工安裝步驟。

支持轉換器通常所需要的其它一些功能是：?jiǎn)?dòng)、軟啟動(dòng)、自動(dòng)重啟動(dòng)、欠壓鎖定(UVLO)、過(guò)壓關(guān)斷以及MOSFET電流檢測和限流。

啟動(dòng)：

一旦轉換器開(kāi)始工作，它通常從主變壓器上的輔助繞組向PWM控制芯片提供電源。然而，當電源首次被施加到轉換器時(shí)，輔助電源沒(méi)有電，必須利用附加電路向控制器提供初始工作電流。當初始供電電路被集成到控制器IC之中時(shí)，工程師既不需要參與其設計，也不需要擔心其正確的工作，特別是如果該電路需要非常少的外部元器件實(shí)現正常工作的話(huà)。這就縮短了設計周期，與此同時(shí)，也減少了元器件的數量。

軟啟動(dòng)：

集成啟動(dòng)電路也可以被設計為緩慢松開(kāi)轉換器使其進(jìn)入完全工作。在軟啟動(dòng)期間，開(kāi)關(guān)占空比最初非常低，并在開(kāi)始工作的最初幾毫秒期間緩慢增加。這就減輕了對各種電源元器件的壓力，使它們的壽命更長(cháng)。

自動(dòng)重啟動(dòng)：

高可靠性和穩定性工作要求防止轉換器或負載的元器件出現故障。當保護功能被集成到IC內部時(shí)，設計工程師的工作就極大地減輕了。此外，一種設計良好的自動(dòng)重啟動(dòng)功能可以限制某種故障期間可能被傳遞到負載的功率，并且可以通過(guò)有效反饋信號的丟失來(lái)激活，而不是由對IC供電電源的丟失來(lái)激活。這一點(diǎn)很重要，因為在輸出過(guò)載條件期間偏置電源可能提供足夠保持IC正常工作的功率，所以，不能依賴(lài)它的丟失作為故障保護的手段。

UVLO和過(guò)壓關(guān)斷：

欠壓關(guān)斷模式是當供電電壓低于IC的開(kāi)啟門(mén)限電壓時(shí)的一種保護模式。欠壓關(guān)斷模式可保證IC在供電電壓不足時(shí)不致于被損壞。一個(gè)低電壓鎖定(UVLO)電路可確保IC在電池電壓未達到安全操作電壓前不同激活，UVLO的功能會(huì )展示滯后現象，以確保在電源供應架上的噪音不會(huì )不慎導致系統故障。當類(lèi)似低電壓或高電壓狀況發(fā)生于監控輸出或在系統電源供應出現低電壓的錯誤時(shí)，所有監控的電源供應可能會(huì )激發(fā)出像是一排序電源關(guān)閉的操作之內部錯誤反應，或是一種立即的強迫關(guān)閉。

雖然在發(fā)現和分級期間接口電路執行最初的欠壓鎖定功能，DC-DC轉換器也需要具備它自己的UVLO功能以滿(mǎn)足IEEE802.3af規范對工作范圍的要求。過(guò)壓關(guān)斷功能保護負載免受在CAT-5電纜上的反常高壓。此外，這兩種功能都應該被集成到IC之中，以保持設計時(shí)間盡可能短。

MOSFET電流感測和限流：

金屬-氧化層-半導體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場(chǎng)效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其通道的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET,其他簡(jiǎn)稱(chēng)尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃(Å)不等，通常材料是二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)，不過(guò)有些新的進(jìn)階制程已經(jīng)可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做為氧化層之用。

在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期感測和限制峰值MOSFET電流可能有助于防止變壓器飽和并使轉換器更為穩定。在低功率級別，MOSFET電流感測是利用一個(gè)與MOSFET源極串聯(lián)的電流感測電阻實(shí)現的;這有效地增加了MOSFET漏-源極(RDS(ON))的導通電阻，但是，降低了轉換器的效率。然而，當MOSFET與控制器一道被集成到同一晶片之上時(shí)，不需要任何外部元器件就可以感測和限制峰值MOSFET電流。除了減少轉換器的元器件數量之外，集成電流限制功能可以比利用外部元器件要快得多，并使轉換器更為強健可靠。

使用將所有這些功能都集成的電源轉換IC,設計時(shí)間可以被控制得非常短。此外，元器件數量和電源級的成本可以仍然非常低，甚至在采用分立接口電路的情況下，只要DC-DC轉換器能夠被足夠地集成。Power

Integrations公司已經(jīng)利用它的DPA-Switch產(chǎn)品家族開(kāi)發(fā)了一種低成本、可靠的PD電源級?；谶@種方法的電源級的電路圖如圖3所示。

圖3：基于DPA-Switch器件的PD電源級電路圖

此分立接口電路僅僅需要16個(gè)元器件，并已通過(guò)美國新罕布什爾州大學(xué)的互通性聯(lián)盟(UNH-IOC)的測試。該DC-DC轉換器圍繞Power

Integrations公司高度集成的電源轉換IC(U1)進(jìn)行設計，并且僅僅需要33個(gè)元器件。熱保護、啟動(dòng)電流源、軟啟動(dòng)、自動(dòng)重啟動(dòng)、UVLO、過(guò)壓關(guān)斷和MOSET電流感測及限流功能都完全集成到U1之中。220

V集成MOSFET的擊穿電壓(BVDSS)足夠高，150V齊納箝位二極管(VR3)足以保護集成MOSFET漏極節點(diǎn)免受反激電壓尖峰的干擾。

一個(gè)電阻(R5)就使UVLO和過(guò)壓關(guān)斷功能成為可能，與此同時(shí)，四個(gè)其它元器件(Q20、R21、R22和R23)降低了UVLO功能的關(guān)閉閾值以滿(mǎn)足IEEE802.3af要求。U1的控制引腳是為接收來(lái)自IC及輸出反饋而接收電源電流的電流輸入端。反饋信號的丟失會(huì )造成U2中斷向U1提供偏置電流，從而使之進(jìn)入它的自動(dòng)重啟動(dòng)保護模式。此外，U1利用集成的MOSFE漏-源極之間的壓降來(lái)感測每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的漏極(DRAIN)電流。如果漏極電流超過(guò)器件的峰值電流限制，集成比較器就會(huì )將MOSFET關(guān)斷。當與適當設計的變壓器一道使用時(shí)，這種電流限制功能排除了變壓器飽和的可能性，使轉換器非常強健可靠。DC-DC轉換器的其余部分是簡(jiǎn)單的由電壓模式控制的反激式電路。

本文小結

PoE PD設計工程師正面臨著(zhù)降低他們的電源級成本而不犧牲可靠性的挑戰。半導體集成是正用于解決這個(gè)問(wèn)題的主要技術(shù)，其中有兩種常用方法。雖然接口電路與PWM控制器的集成最初看來(lái)是不錯的方法，但是，把PWM控制器和功率MOSFET集成在一起能夠既降低成本又可以縮短設計周期，而同時(shí)又不犧牲可靠性。DPA-Switch家族產(chǎn)品為設計工程師提供一種解決他們的PoE PD設計挑戰的有效的解決方案。