以太網(wǎng)供電參考設計

幾乎所有商業(yè)大廈都會(huì )鋪設CAT-5電纜，其主要應用為10/100 Mb/s以太網(wǎng)。根據以太網(wǎng)標準，四對雙絞線(xiàn)纜中只有兩對用于數據傳送，另外兩對則未被使用。采用以太網(wǎng)供電 (Power over Ethernet；PoE) 結構，即IEEE 802.3af標準，電源可以施加到未被使用的線(xiàn)對上。雖然PoE技術(shù)也可用于運載數據的線(xiàn)對，但本文將集中討論利用未被使用線(xiàn)對的方法。一般終端設備都可從這項技術(shù)中獲益，包括無(wú)線(xiàn)寬帶路由器和IP電話(huà)，而報警系統、恒溫器及標記閱讀器等設備也可受益于PoE。
PoE的設計正日漸增多。其原理是在未被使用的線(xiàn)對上施加48V電壓，并向接收數據信號的單元提供全部功率。本文將討論在供電設備 (PSE) 的接收端設計一種為供電裝置 (PD) 而設的輸入控制電路，以及包括DC/DC切換轉換器的參考設計，將48V電壓調低至IC適用水平。
 檢測算法
當為CAT-5電纜提供48V電壓時(shí)，假如接收設備不支持PoE便會(huì )出現問(wèn)題，PSE將率先啟動(dòng)檢測算法，發(fā)出介于2.8V至10V之間的感測信號，并監測電流。PD輸入電路的輸入信號電阻Rs的范圍必須在23.75KW~26.25KW之間，使得PSE能夠繼續進(jìn)行驗證操作。PSE也可能需要一個(gè)并聯(lián)電容，這會(huì )在以下的PD輸入設計部分討論。 之后，PSE會(huì )進(jìn)行選擇性的功率分類(lèi)操作，以便設置可從線(xiàn)路獲得最大功率量。通過(guò)將電壓快速升高至15.5V~20.5V的水平，并測量吸收的電流，PSE可將PD分為四個(gè)類(lèi)別。PSE實(shí)際發(fā)出的電平會(huì )隨設備單元而變化，而某些設備在電流分類(lèi)時(shí)僅輸出8V電壓。
在達到信號電阻和電流分類(lèi)規格之后，PSE會(huì )快速升至48V的標稱(chēng)PoE電壓。但必須注意幾個(gè)因素，如過(guò)沖電流限制、過(guò)壓保護以及欠壓鎖定。
使用分立元件的PD輸入設計
這里所講的PSE算法只涉及全部PoE性能的極少部分。下面的示例是使用幾個(gè)分立元件的PD輸入電路參考設計。
圖1描述了PD輸入的基本流程。從左邊開(kāi)始，需要提供尖峰電壓保護，以避免損壞連接的MOSFET或DC/DC轉換器輸入。由于可使用300英尺以上的介質(zhì)和磁性隔離單元將PSE和PD分隔開(kāi)來(lái)，因此過(guò)多電壓瞬變現象出現的機會(huì )很大。一種保護方法是使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 將尖峰信號鉗位在預定的電平上。另外，為了防止48V電路的極性錯接，可使用反向二極管將電流吸收回電源中。
如前所述，必須有合適的信號阻抗提供給PSE。在這個(gè)設計中，25KW電阻器跨接在48V電路上，并存在于整個(gè)功率序列中。如果通過(guò)這個(gè)電阻器的2mA電流是強調功率應用效率設備的主要功耗源頭，便需在設計中加入額外的檢測晶體管，以便在PD檢測完成后將信號電阻器從功率環(huán)路中移去。在電流分類(lèi)階段保留25kW電阻器具有雙重作用，可以幫助PSE確定全功率。
某些PSE單元在為PD提供48VDC之前，會(huì )搜索超過(guò)一個(gè)的有效信號電阻器。這些PSE單元可能需要少量的電容，與25kW電阻器平行放置。圖1中PD原理圖所示的典型值為0.1mF。這個(gè)電容器同時(shí)用于PD檢測和旁路保護，能夠吸收由帶電插入操作引起的高頻瞬流。
本示例使用的MOSFET用于欠壓鎖定 (UVLO)，其規格應依據總體功耗來(lái)確定。對于負載較輕的和對成本敏感的應用中，可采用1.25A、 60V MOSFET-FDD5618P。而15A、60V MOSFET-FDD5614P則適用于重型的負載應用，同時(shí)需要維持低器件溫度。該MOSFET的柵極通過(guò)專(zhuān)用齊納二級管連接至PSE輸出電平，在達到預定條件之前，它不會(huì )連接PSE和DC/DC轉換器之間的節點(diǎn)。

PD DC/DC轉換器設計
在為負載IC供電之前，負載IC可以是IP電話(huà)或無(wú)線(xiàn)寬帶路由器，48V DC輸入必須逐步降低至更有用的水平。在這種情況下應使用開(kāi)關(guān)電源以維持足夠的效率。下面要討論的參考設計中的回掃式轉換器就是用來(lái)將輸入電壓降低至5V。
對PoE而言，DC/DC轉換器的主要規格指標是過(guò)沖電流限制。如果轉換器的輸入電容大于180mF，而且PSE不支持內部電流限制，則PD輸入電路必須進(jìn)行過(guò)沖電流限制。在這個(gè)設計中，DC/DC轉換器的輸入電容處于規范之內，所以無(wú)需附加電流限制。假如輸入電容超過(guò)180mF，就可通過(guò)增加有源的電流限制電路來(lái)限制過(guò)沖電流。這個(gè)示例具有許多不同的選擇，但幾乎所有PSE單元均可根據PSE轉換器規格來(lái)啟動(dòng)電流限制。
PoE電源設計具有30V~57V的輸入電流范圍(應用的典型值為48V)，以及最大輸出電流額定值為3A的5V輸出(15W)。使用回掃式拓樸的目的是將總體設計成本降到最低，并能夠實(shí)現70%~80%的總體額定效率。圖2所示為回掃式電源設計原理圖。

初級電路
下面討論電源原理圖(見(jiàn)圖2)，但不包括變壓器磁性元件。
輸入電容
在A(yíng)C/DC電源中，使用輸入濾波器電容可減少全波整流電路的電壓紋波。在DC/DC轉換器中，輸入濾波器電容可用來(lái)去除電路上的瞬壓變化，甚至在主電路電壓完全中斷時(shí)維持輸入電壓。舉例說(shuō)，如果初級電路需要一定的保持時(shí)間(無(wú)輸入電壓)，C1需達到數百或數千法拉，在這情況下，可使用47mF電容在PoE輸入電路中除去所有瞬壓變化。
緩沖器電路
為了保護PWM控制器 (IC1) 的內部SenseFET (源－漏極最大額定電壓為200V)，將緩沖器電路設計為輸入電壓的兩倍。其中，為了計算緩沖電阻的阻值，須首先確定初始峰值電流。初始峰值電流也有助于確定緩沖電阻 (R11)的最大額定功率。初始峰值電流可利用最差的條件參數來(lái)計算，即當內部SenseFET導通時(shí)間達到最大值時(shí)，可從主線(xiàn)路上吸取的最大電流量(當Vin=30V)。

(1)
一旦知道初始峰值電流，便可計算出緩沖電阻器R11的數值，如方程式2所示。

(2)
為了獲得尺寸合適的電阻器，必須計算它在PWM控制器停用時(shí)所需處理的功率(如3式)。
                  (3)
緩沖電容器應具有低有效串聯(lián)電阻 (ESR)，如陶瓷電容器，以便將尖峰電壓降至最小。
振鈴電路
振鈴電路 (C10和R12) 也很重要，它能在SenseFET釋放至電源輸入電壓時(shí)，減少變壓器初級的振鈴現象。
當次級電流在不連續模式下降至零時(shí)，這兩種元件有助于消除初級的振鈴現象。典型值為R=300W~1500W，及C=500pF~5000pF。
啟動(dòng)電路
輸入電壓電容器 (C4) 規格必需配合，以執行精確的工作。在軟啟動(dòng)期間，Vcc電容器 (C4) 由DC線(xiàn)路的60mA (典型值) 啟動(dòng)電流，通過(guò)R2進(jìn)行充電，而Vcc電容器通過(guò)10mA IC工作電流和MOSFET柵極驅動(dòng)電流 (Qg