用于以太網(wǎng)供電的反激式電源系統設計

　由于通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的電子設備無(wú)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(chǎng)歡迎。以網(wǎng)絡(luò )電話(huà)為例，采用不中斷電源供應 (UPS) 技術(shù)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(shù)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(wǎng)集線(xiàn)器的供電量以及以太網(wǎng)電纜的電流傳輸量畢竟有限。為確保兩者不出現過(guò)載，國際電子電氣工程師協(xié)會(huì )(IEEE) 特別為需要通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的負載制定 802.3af PoE 技術(shù)標準，確保有關(guān)負載的電氣特性符合標準要求。

Sat Mar 10 2007

　　符合 IEEE 標準的用電設備操作模式

　　2003年6月IEEE通過(guò)采納有關(guān)PoE產(chǎn)品的技術(shù)標準。IEEE802.3af標準規定舊式和PoE設備都必須

同樣獲得安全可靠的供電，原有的電纜網(wǎng)絡(luò )須繼續保留，而饋電時(shí)不會(huì )令傳送的信號出現衰減或錯誤。IEEE 還規定必須采用標準的第5e類(lèi) (CAT-5e) 以太網(wǎng)電纜，而且必須利用電纜內四對雙絞銅導線(xiàn)中的兩對傳送48V直流電（見(jiàn)圖1）。供電量分為4個(gè)級別，最低供電量為每端口4W，而最高的供電量則為每端口15.4W。

　　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。PoE設備的操作模式次序見(jiàn)圖2。

　　若電壓超過(guò) 23V，供電設備執行欠壓鎖定 (UVLO) 功能，以防出現不理想的特征電阻，確保用電設備的電壓升至最高值之后，才為輸入電容器充電以及將輸出電壓穩定在指定的范圍內。此外，用電設備也可將有關(guān)其用電級別的資料直接通知供電設備。欠壓鎖定一旦解除之后，控制器的接口電路便會(huì )為負載電容充電。這個(gè)負載電容是專(zhuān)為開(kāi)關(guān)模式電源供應而設的輸入電容。為了確保充電過(guò)程不會(huì )失控，主功率場(chǎng)效應晶體管的電流規定不可超過(guò) 450mA ，并且浪涌限流值可另外設定。

　　但由于許多新一代 PoE 設備所需的供電量往往超過(guò)目前的規定標準，因此 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。

　　適用于 PoE 供電系統的典型DC/DC轉換器設計

　　從線(xiàn)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(shí)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(jiǎn)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(jìn)行低功率操作時(shí)，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(xiàn)圈場(chǎng)效應晶體管的均方根 (RMS) 電流較小。一般來(lái)說(shuō)，采用非連續導電模式操作有兩個(gè)理由，其一是可以采用較小的變壓器，此外，又可將控制傳送函數的右半平面零 (right half plane zero) 移到足夠高的高頻區，以便將不利影響減至最小。

　　至于PoE供電系統的供電量及輸入電壓范圍，我們只要作出幾個(gè)簡(jiǎn)單的運算，便可得出以下的結論 ：右半平面零處于足夠高的高頻區內，因此不會(huì )構成任何問(wèn)題。以連續導電模式為例來(lái)說(shuō)，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(xiàn)圈場(chǎng)效應晶體管的占空比、Iin 為平均輸入電流，而L則為變壓器的磁化電感。上述應用實(shí)例若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100mH。若最低輸入電壓為26V、最高輸入電流為360mA，而初級線(xiàn)圈場(chǎng)效應晶體管的相關(guān)占空比數值為0.4，若根據以上的數值運算，右半平面零無(wú)論在任何操作情況都會(huì )處于64kHz的頻率下限。對大部分PoE設備來(lái)說(shuō)，這個(gè)頻率下限對反饋補償器的設計只會(huì )有微不足道的影響。

　　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 3 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 100V PoE 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(lái)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(huì )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，我們也可調節功率晶體管的占空比，以便控制線(xiàn)路及電流的瞬態(tài)響應。占空比的大小取決于輸出電壓的誤差及鋸齒波形，而兩者都取決于流入外置電流傳感電阻的初級線(xiàn)圈電感電流。

　　我們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(guò) 50% 時(shí)分諧波振蕩所產(chǎn)生的內部不穩定問(wèn)題。

　　結論

　　反激式連續導電模式不但設計簡(jiǎn)單、成本較低，而且還可發(fā)揮極高的效率，是 PoE 設備普遍采用的設計方案。