有源橋整流器可減少PoE安保攝像機內部的熱耗散

引言

作為“復雜電纜布線(xiàn)”這個(gè)老問(wèn)題的一種解決方案，以太網(wǎng)供電 (PoE) 受到了視頻監控行業(yè)的廣泛歡迎。例如：基本的傳統固定視圖安保攝像機就需要兩根電纜：一根用于供電 (從一個(gè) 24V AC 或 12V DC 電源提供 10W 至 15W 功率)，而一根單獨的同軸電纜則用于傳輸視頻信號。借助 PoE 技術(shù)，采用單根以太網(wǎng)電纜即可同時(shí)傳輸視頻數據和功率。一切都變得簡(jiǎn)單了。對嗎?

不但如此。為了滿(mǎn)足與現有系統的兼容性，攝像機制造商必須生產(chǎn)既支持 PoE 同時(shí)又可與老式電源相兼容的攝像機。此類(lèi)攝像機必須接受來(lái)自 RJ-45 插座的 PoE 37V 至 57V DC，或者由一個(gè)輔助電源連接器提供的 24V AC、+12V DC 或 –12V DC。

老方法會(huì )損失功率

圖 1 示出了許多 PoE 攝像機制造商為解決該問(wèn)題所采用的電源架構。位于輔助 (老式) 輸入之后的一個(gè)全橋式二極管整流器從 24V AC、+12V DC 或 –12V DC 產(chǎn)生正的 DC 電源。對產(chǎn)生的 DC 電源和 PoE 輸入進(jìn)行二極管“或”處理，“勝出”的電源饋電至一個(gè)寬輸入電壓隔離式開(kāi)關(guān)電源，這接著(zhù)為攝像機電子線(xiàn)路供電。

這種電源架構帶來(lái)了幾個(gè)難題。當攝像機由輔助輸入供電時(shí)，3 個(gè)二極管 (在圖 1 中用圓圈標出) 位于電源通路中。該設計除了效率低且可能存在熱問(wèn)題 (因二極管耗散功率所致) 之外，3 個(gè)二極管還會(huì )在開(kāi)關(guān)電源的輸入端上產(chǎn)生顯著(zhù)的電壓降。對于一個(gè) 10W 至 15W 攝像機來(lái)說(shuō)，這些難題可以輕松克服；但是，最新的安保攝像機已使該功耗倍增。如針對室外操作的云臺變焦 (PTZ) 和攝像機鏡頭加熱器等功能使這種電源架構無(wú)法適應這些新型攝像機。

圖 1：輔助輸入和 PoE 電源架構

為了說(shuō)明該架構的缺點(diǎn)，我們以一部 26W 攝像機為例。當采用一個(gè) 12V DC 輔助輸入 (假設實(shí)際上是 9V DC，因為使用了未調整的插墻式 / AC 適配器) 和 3 個(gè) 0.5V 壓降肖特基二極管時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓為 7.5V (9V – 3 ? 0.5V)。這部攝像機的輸入電流為大約 3.5A (26W/7.5V)。電源通路中 3 個(gè)肖特基二極管的最終功率耗散為 5.2W (3.5A ? 3 ? 0.5V)。該功率耗散將導致攝像機的內部溫度升高，想緩解這種狀況，不僅棘手和費時(shí)，成本也很高昂。

采用理想二極管來(lái)改善性能

圖 2 示出了一種克服此缺點(diǎn)的方法。這里，采用了理想二極管替代全橋式整流器的 2 個(gè)二極管 (在圖 2 中用黑色圓圈標出)。理想二極管就是簡(jiǎn)單地通過(guò)控制而起普通二極管作用的 MOSFET。理想二極管的優(yōu)勢是使設計師可以采用具有低通道電阻 (RDS(ON)) 的MOSFET，從而把正向電壓降 (IDS ? RDS(ON)) 減小至遠低于肖特基二極管壓降的水平。LT?4320 理想二極管橋控制器可控制全橋式配置中的 4 個(gè) MOSFET。由于圖 1 中的二極管“或”處理所引起第三個(gè)二極管的壓降可利用 LT4275 LTPoE++TM / PoE+ / PoE PD 控制器來(lái)消除。其拓撲允許使用幾個(gè)小信號二極管 (在圖 2 中用紅色圈在一起) 以實(shí)現輔助輸入檢測。這些二極管不像傳統架構那樣位于電源通路當中，因此它們不會(huì )產(chǎn)生任何額外的電壓降或熱問(wèn)題。

圖 2：改進(jìn)的電源架構 (電源通路中沒(méi)有二極管壓降)

結果

與圖 1 中的電源架構相比，圖 2 所示的電源架構顯著(zhù)地降低了總體功率損耗。量化一下，LT4320 與低通道電阻 MOSFET 相組合，在每個(gè)理想二極管橋 MOSFET 的兩端產(chǎn)生一個(gè) 20mV 壓降。這在隔離式電源上產(chǎn)生一個(gè) 8.96V (9V – 2 ? 20mV) 的輸入。較高的輸入電壓把所需的輸入電流減小至僅為 2.9A (26W/8.96V)，而原先則需要 3.5A。

改進(jìn)型架構的最終功耗現在僅為 116mW (2.9A ? 2 ? 20mV)，而原來(lái)的架構則為 5.2W，整整下降了 45 倍! 此外，較低的輸入電流還進(jìn)一步降低了隔離式電源之功率組件 (即：輸入濾波電感器、功率變壓器和開(kāi)關(guān) MOSFET) 中的功率耗散，這是因為其 I2R 功率損耗下降所致。通過(guò)簡(jiǎn)單的計算可得出該降幅為 31% (100% – 2.9A2 / 3.5A2)。

結論

相比于傳統的全橋 / 二極管“或”設計，在支持 PoE 的安保攝像機之輔助和 PoE 輸入端上增設 LT4320 和 LT4275 可彌補 5W (5.2W – 116mW) 以上的功耗。這功耗的降低可削減 PoE 安保攝像機的熱設計時(shí)間并簡(jiǎn)化了復雜性。