單芯片解決方案的以太網(wǎng)饋電系統設計

由于利用以太網(wǎng)饋電的電子設備無(wú)需倚靠交流電插座提供供電，而且系統的整體成本也較低，因此以太網(wǎng)饋電解決方案越來(lái)越受歡迎。對于網(wǎng)絡(luò )電話(huà)來(lái)說(shuō)，采用不斷電電源供應(UPS)不但可以保證供電穩定可靠，而且較少出現電源浪涌、盜用、供電中斷或切斷的情況。此外，由于RJ-45電源連接器在世界各地廣泛使用，因此世界各地采用以太網(wǎng)饋電技術(shù)的電子設備都能兼容，而且符合以太網(wǎng)饋電要求的電子設備還有可靈活管理及遠程通電/斷電的優(yōu)點(diǎn)。根據市場(chǎng)調查公司VentureDevelopmentCorp.的調查顯示，符合以太網(wǎng)饋電要求的集成電路的全球銷(xiāo)量估計會(huì )由2004年的1.33億顆增至2007年的2.46億顆。

受電設備(PD)只要采用以太網(wǎng)饋電技術(shù)，便可通過(guò)現有的數據電纜獲得電源供應。供電設備(PSE)預先準確測量受電設備，以確保該設備符合有關(guān)標準的規定。若受電設備符合標準，供電設備便會(huì )為其提供48伏(V)的供電。(參看圖1)

可與IEEE標準兼容的受電設備的操作模式

美國的電氣及電子工程師學(xué)會(huì )(IEEE)已于2003年6月通過(guò)采納有關(guān)以太網(wǎng)饋電產(chǎn)品的技術(shù)標準。IEEE802.3af技術(shù)標準有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如規定舊式設備及符合以太網(wǎng)饋電要求的設備同樣可以在安全的情況下獲得供電，電纜的原有結構可以保留下來(lái)，而供電時(shí)不會(huì )令數據素質(zhì)下降。IEEE學(xué)會(huì )已就這方面的技術(shù)制定相關(guān)的標準，例如饋電網(wǎng)必須采用內含兩對或四對雙扭銅線(xiàn)的標準第5e類(lèi)(Cat5e)以太網(wǎng)電纜，而且可以輸送48伏的直流電，供電量分為4類(lèi)，以每端口可獲得的供電量劃分，最低供電為4W，而最高供電則為15.4W。

供電設備會(huì )先測量電纜的阻抗(特性確認)，以便通過(guò)這樣的檢測確定受電設備是否已真正連線(xiàn)。若阻抗介于23.75kW與26.25kW之間，供電設備便可斷定受電設備已真正連線(xiàn)。

若電壓超過(guò)23伏，有關(guān)技術(shù)標準規定必須采用欠壓鎖定(UVLO)功能，以免出現不良特性確認電阻，以及確保在輸入電容器獲得全面充電而穩壓輸出開(kāi)始提供之前有足夠的等待時(shí)間，直至受電設備獲得全面供電。另一方面，供電設備也可取得受電設備的分級電流，以便知道該連線(xiàn)設備所需供電的類(lèi)別(參看圖2)。

(圖2：標稱(chēng)電壓的檢測、分級及輸入)

LM5070芯片的特色及優(yōu)點(diǎn)

LM5070高電壓以太網(wǎng)饋電控制器采用小巧的16管腳封裝，可以利用脈沖寬度調制電流模式進(jìn)行控制，而且具備組建PoE輸電系統所需的一切功能(參看圖3)。

(圖3：LM5070受電設備的系統區域)

美國國家半導體的LM5070控制器芯片具備很多獨特的功能，令這款芯片很容易融入現成的設計之中：

-內置的高性能電流模式控制器設有完全符合IEEE802.3AF標準的受電設備接口；
-用戶(hù)可自行設定特性確認電阻、欠壓鎖定(UVLO)閾值、浪涌電流及認定的分級電流；
-浪涌/故障電流限幅保護、可自動(dòng)重試的每周期電流限幅以及過(guò)熱停機等功能；
-欠壓鎖定閾值及磁滯：系統設計工程師可以利用兩個(gè)外接電阻分別設定欠壓鎖定跳轉點(diǎn)及磁滯；
-內部供電順序：PoE受電設備接口與直流/直流轉換器可在LM5070芯片之內互相通信；
-隔離或非隔離式直流/直流電源供應器配置：非隔離轉換器采用高精度電壓參考電路與誤差放大器集成一起的配置；
-為隔離轉換器設計的光耦合器晶體管提供上拉功能；
-切斷特性確認電阻：完成受電設備的檢測之后，25kW的特性確認電阻便會(huì )被切斷，以免降低功率轉換效率。

典型的以太網(wǎng)饋電直流/直流轉換器設計：

由于LM5070控制器芯片采用高度集成的技術(shù)，因此不但可以支持符合IEEE802.3af標準的系統設計，而且只需極少外接元件便可提高系統的性能。圖4顯示一款只需加設極少外接元件的非隔離回掃輸出電源供應器，例如開(kāi)關(guān)式金屬氧化半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)(Si4848,150V/3A)、設有初級及次級線(xiàn)圈的變壓器、為輸出電壓提供整流的二極管以及輸入與輸出電容器等幾顆重要的基本元件便在背后為這款電源供應器提供支持。

(圖4：LM5070是最小化非隔離輸出“0”級別電源供應器的解決方案。)

回掃連續模式的線(xiàn)路布局比較適宜采用快速的脈沖寬度調制(PWM)電流模式控制器，因為這種控制器可以控制輸入電流，并為其設定限幅，而且還可穩定同一電路之內的輸出電壓。只要調節功率晶體管的占空度，便可確定線(xiàn)路及電流的瞬態(tài)響應。占空度大小取決于輸出電壓誤差及鋸齒波形，后者由流入外接感測電流電阻的初級線(xiàn)圈電感電流所產(chǎn)生。

這款控制器只要將電流感測信號與內部參考電壓加以比較，便可為輸入電流設定每周期的電流限幅。若占空度超過(guò)50%，次諧波振蕩會(huì )成為潛在的不穩定因素，但只要為電流斜坡信號提供內部斜率補償，即使占空度超過(guò)50%，不穩定的問(wèn)題也不會(huì )出現。

(圖5：設有可編程級別設定及可編程浪涌保護電流的隔離回掃電源供應器)

圖5顯示設有可編程級別設定及可編程浪涌保護電流的隔離式以太網(wǎng)饋電解決方案。此外，為了加強故障電流保護功能，這個(gè)解決方案還加設了3個(gè)不同的電流限幅及過(guò)熱保護功能：

(1)可編程設定的控制器電流過(guò)高保護功能可以抑制啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰。
(2)若流入主功率MOSFET的直流電上升至超過(guò)375mA，電流限幅放大器可以令場(chǎng)效應晶體管出現飽和，使漏極(RTN)上升。只要RTN上升至2.5VwrtVEE以上，而PowerOK=0，便會(huì )觸發(fā)軟啟動(dòng)，而芯片也會(huì )不斷嘗試重新啟動(dòng)。
(3)過(guò)熱限幅功能提供多一個(gè)安全保障，以免系統出現錯誤，或出現其他超越安全警戒的事件。

同時(shí)，Coilcraft公司已為L(cháng)M5070芯片開(kāi)發(fā)了多款采用表面貼裝封裝的變壓器，以確保系統能充分發(fā)揮其效率。

如欲了解更多有關(guān)美國國家半導體電源資料，請瀏覽：http://www.national.com/see/apads/c4pwr.cgi