以太網(wǎng)供電技術(shù)特征及應用于轉換器的設計

　　1、以太網(wǎng)供電基本技術(shù)特征分折

　　以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)是一種能通過(guò)標準以太網(wǎng)電纜提供供電及傳送數據的技術(shù)。通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的設備例如網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、保安系統攝錄機和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)節點(diǎn)都可采用PoE技術(shù)。

　　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802.3afPoE技術(shù)標準，確保有關(guān)負載的電氣特性符合標準。

　　PoE是從中央交換機向以太網(wǎng)連接的設備(VolP電話(huà)、WLAN發(fā)送器、安全攝像機)供電的方式。使用現有的CAT5電纜就無(wú)需交流供電(并省去配線(xiàn)開(kāi)支)。中央交換機還能夠控制用電設備的功率分配，可為重要系統提供復雜的不間斷的電源管理。

　　以太網(wǎng)供電工作三個(gè)基本功能：一個(gè)PoE負載或用電設備(PD)必須具備三個(gè)基本功能才可以與供電端的供電設備(PSE)連接。這三個(gè)功能分別是發(fā)現、分級及欠壓鎖定。

　　1.1發(fā)現階段-受電設備的檢測：

　　當一個(gè)激活PoE的以太網(wǎng)電纜插入PD后，即當受電設備(PD)被接入以太網(wǎng)鏈路時(shí)，PSE必須檢測每個(gè)以太網(wǎng)設備是否需要電源？供電設備(PSE)會(huì )向PD發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號判斷PD的PoE是否被激活，因而PD必須表現出區別于傳統以太網(wǎng)設備的特性，這一階段被稱(chēng)為發(fā)現階段。IEEE 802.3af標準的PD要求開(kāi)始于一個(gè)25kΩ和小于120nF的特征識別，正是這一特征使PSE通過(guò)測量其“檢測特征”-共模終端來(lái)檢測需要供電的設備，將PD從不需要供電的其它以太網(wǎng)設備中區分出來(lái)。PD只需要具有這些檢測特征，同時(shí)其鏈路處于檢測模式，則即可實(shí)現檢測。也就是說(shuō)，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。

　　PSE對PD檢測的具體方法有二。其一、為實(shí)現這種檢測，PSE通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)V-I(電壓-電流) 點(diǎn)和從它們之間的斜率來(lái)計算電阻以判斷端口的共模終端來(lái)檢測需要供電的設備.就是利用2.7V至10.1V的限流電壓探測信號線(xiàn)。表1列出檢測狀態(tài)下PSE對要被檢測為有效的PD必須具備的參數條件。表1參數之所以允許1.9V的串聯(lián)電壓偏移是因為通常采用二極管橋來(lái)控制電壓極性。每個(gè)PD會(huì )用到兩個(gè)這樣的二極管全橋(見(jiàn)圖1所示，為用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供電系統簡(jiǎn)化設計方框圖)，因為PD必須向后兼容于中間PSE。而10μA的電流偏移是因為PD內部通常具有一定的泄漏。另外，通過(guò)表2給出了另外一系列參數條件，任何滿(mǎn)足這些條件的檢測都將判定以太網(wǎng)設備為一個(gè)無(wú)效的PD。

　　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，因此如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。

　　其二、需要指出的是，在發(fā)現階段，PSE向PD釋放電壓斜波并尋找負載(25 kΩ)產(chǎn)生的一個(gè)特性阻抗。如果并未檢測到正確的阻抗，PSE假定負載的PoE并未激活并會(huì )關(guān)斷PoE的發(fā)送端。之后，系統將按照標準的以太網(wǎng)連接方式工作。如果檢測到了阻抗信號，PSE將進(jìn)入分級階段。信號識別電壓是一個(gè)2.5 V至l0 V之間的斜波電壓。一個(gè)24.9 kΩ的電阻即能為發(fā)現階段提供正確的信號阻抗，見(jiàn)圖 2(a)所示。

　　1.2 分級階段：

　　PSE繼續向PD施加斜波電壓。

　　在15 V至20 V范圍內，分級階段發(fā)生了。在電壓轉換期間，PD必須吸收一個(gè)特定的電流以確定器件的級別(見(jiàn)圖2(b)所示)。24.9 kΩ的識別電阻同樣可以進(jìn)行最簡(jiǎn)單的級別分級(CIass 0)。分級電流描述了PD在正常操作下所需要的功率大小。PSE則將這一信息輸送給控制器，使系統能夠確定PD所需的總功率。下表1顯示了分級電流及PD工作時(shí)對功率的要求。

　　1.3 開(kāi)啟階段：

　　分級階段后，當欠壓鎖定(UVLO)線(xiàn)路被釋放及PD可以被供電后，PSE繼續抬高斜波電壓，最高到30V。此時(shí)需要軟啟動(dòng)電路來(lái)控制由PSE吸取的電流。圖2(c)顯示了一個(gè)典型的欠壓鎖定電路。

　　通過(guò)這個(gè)過(guò)程，PSE與PD共同決定了負載的特性并且僅會(huì )向具備PoE功能的設備供電。在中央的系統控制器能夠決定負載要求并且在UPS預算供電失敗的情況下根據實(shí)際需要合理分配功率。

　　2、通過(guò)以太網(wǎng)供電成本的節省應用舉例

　　用DPA-Switch 芯片與分立設計成28-57VDC，通過(guò)以太網(wǎng)供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉換器。下面先對DPA-Switch 芯片性能及優(yōu)勢作介紹。

　　2.1 DPA-Switch'性能及優(yōu)勢

　　DPA-Switch'在一個(gè)CMOS芯片上集成了高頻功率MOSFET、PWM控制器、故障保護及其它控制電路，有效地節約了成本。其性能包括短路及開(kāi)環(huán)保護、可編程的限流點(diǎn)、輸入電壓欠／過(guò)壓保護、遲滯熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)、反饋補償及遙控開(kāi)／關(guān)機。與傳統的分立設計相比，DPA-Switch芯片可節省20多個(gè)外圍元件，極大地節省了電路板空間及成本。

　　DPA-Switch特點(diǎn)：寬輸入電壓范圍為16 VDC到75 VDC并支持反激及正激式拓撲；省去了所有外圍電流檢測電路；用于輸出過(guò)載／開(kāi)環(huán)保護的自動(dòng)重啟動(dòng)；電壓模式控制器可實(shí)現75％的占空比而無(wú)需斜波補償，并提供5-10 kHz的環(huán)路帶寬；具有輸入電壓欠壓(UV)檢測并達到ETSI標準與輸入電壓過(guò)壓(OV)關(guān)斷保護及低成本同步整流器，線(xiàn)電壓欠／過(guò)壓關(guān)斷保護限制了變壓器輸出的門(mén)極驅動(dòng)電壓范圍；完全集成的軟啟動(dòng)達到最小的器件應力／過(guò)沖；外部可編程的限流點(diǎn)可實(shí)現高效率低成本設計及功率控制；隨輸入電壓的變化可編程的最大占空比以保證在正激式轉換器設計中的磁芯復位。

　　綠色節能：空載(10 mA typ)及遙控關(guān)機時(shí)(2 mAmax)極低的能耗與輕載時(shí)跳頻操作可以實(shí)現待機時(shí)的高效節能。其封裝S、P及G均有無(wú)鉛封裝形式(100％磨砂錫)，符合Rolls規定及達到JEDEC的J-STD-020C標準。

　　典型應用：可在PoE用電設備，如VolP電話(huà)、WLAN及WAP發(fā)送器、安全攝像機、條行碼掃描儀、警報系統及煙霧探測器等設備上應用；又可在電信中央辦公設備如xDSL、ISDN、PABX等與分布式供電架構(24／48 V公交車(chē)等)及工業(yè)控制(24／48 V) 等設備上應用。

　　2.2 28-57VDC，通過(guò)以太網(wǎng)供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉換器設計組成

　　圖3為用DPA424P DPA-Switch 芯片與其它分立元器件組成的多路輸出DC/DC轉換器設計圖?，F對各組成作分析。

　　組成1-簡(jiǎn)化的PoE接口電路：由包括發(fā)現識別阻抗的電路 (24.9 kW由2.5 VDC至10 VDC)與包括CIass 0級別分類(lèi)的電路(C1ass 1，2及3的方案也包括在內)及低成本的雙極性晶體管導通開(kāi)關(guān)(至少87％的效率)合成。

　　組成2（a）-集成的電流檢測線(xiàn)路及電流限流點(diǎn)：具有嚴格的經(jīng)過(guò)溫度補償的公差與無(wú)電流檢測電阻(更高效率)；高功率設計也無(wú)需電流傳感器，可使用X引腳電阻進(jìn)行限流編程，最多減少六個(gè)元器件，可節省達0.25美元?；蛴媒M成2(b)如果采用集成的啟動(dòng)線(xiàn)路，則更高效(不會(huì )有“自舉電路”的損耗)，最多減少4個(gè)元器件， 可節省達0.05美元。

　　組成3-集成的線(xiàn)電壓檢測線(xiàn)路：能準確的溫度穩定性并提供欠壓／過(guò)壓保護，最多減少