一種應(yīng)對PoE受電設(shè)備設(shè)計挑戰(zhàn)的解決方案

標(biāo)簽：電源 以太網(wǎng)

POE (Power Over Ethernet)指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端(如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等)傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。POE技術(shù)能在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)POE的新標(biāo)準(zhǔn)，它在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，也是第一個關(guān)于電源分配的國際標(biāo)準(zhǔn)。

為了在新的產(chǎn)品應(yīng)用中奪取和保持市場占有率，降低PoE受電設(shè)備(PD)中電源級所占用的成本而同時不犧牲可靠性是至關(guān)重要的。本文所提出的解決方案可降低成本并提高PD電源級的可靠和穩(wěn)定性。

對于集成PD電源電路，電源管理IC制造商一般采取下列兩種方法之一(參見圖1)：

圖1：兩個分立接口電路：a) 對0級;b) 對1、2和3級

A. 將前端接口電路和一個用于DC-DC轉(zhuǎn)換器(驅(qū)動一個分立功率MOSFET)的PWM控制器集成在一片IC上。B. 將一個功率MOSFET、PWM控制器和用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的所有支持電路集成在一片IC上。

第一種方法看來要把大多數(shù)電路集成到芯片之中。然而，它不是理想的解決方案，因?yàn)榻涌陔娐穬H僅具有一種可變功能：識別PD的級別(0, 1, 2或3)。在IC內(nèi)集成如此簡單的電路并未對晶圓面積進(jìn)行最有成本效益地利用，特別是僅使用幾個標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立元件就可以低廉的成本實(shí)現(xiàn)的電路，這些獨(dú)立元件還可在另個新設(shè)計中重復(fù)使用。

圖2：兩種用于PD電源級的最常見集成方法

圖2顯示了兩個分立接口電路。左側(cè)電路實(shí)現(xiàn)一個0級PD,在大批量生產(chǎn)中的成本僅僅為9美分;右側(cè)電路成本為20美分，通過改變唯一的電阻(R16)的數(shù)值，可以把PD分為1、2或3級。

DC-DC轉(zhuǎn)換器比接口電路要復(fù)雜得多，因此，第二種方法(圖1中B) 如果把支持DC-DC轉(zhuǎn)換需要的所有功能都集成在IC內(nèi)部的話，是可以極大地簡化設(shè)計。

面向PoE應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換IC

DC/DC轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需求可采用三類控制。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負(fù)載時具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時實(shí)行PFM控制，且在重負(fù)載時自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。

因?yàn)橹蓖ㄩ_關(guān)MOSFET的漏極被連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)MOSFET的源極，現(xiàn)有辦法不能把一切都集成到一顆單片晶圓上。一些包含多顆晶圓的IC正開始出現(xiàn)，然而，它們可能價格不菲。因此，要么選擇把前端和一個PWM控制器集成在一起的單片芯片，要么選擇把PWM控制器、功率MOSFET和相關(guān)支持電路集成在一起的單片芯片。

因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計">設(shè)計時間的大半將花在DC-DC轉(zhuǎn)換器上，把常用支持功能集成在所選擇的IC之中是至關(guān)重要的。下列就是在一款I(lǐng)C中應(yīng)包括的集成功能：

過熱保護(hù)：

安全和高度可靠的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有熱感測和過熱保護(hù)。MOSFET開關(guān)可能是所有開關(guān)轉(zhuǎn)換器中最易發(fā)熱的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其溫度必須被感測出來以提供熱保護(hù)。當(dāng)采用分立MOSFET開關(guān)的時候，必須安裝熱傳感器以便它直接與MOSFET接觸，這通常需要一些手工安裝的步驟。然而，當(dāng)MOSFET與控制器一道被集成在同一晶圓上的時候，控制器可以直接感測MOSFET溫度。這就省略了把熱傳感器連接到分立MOSFET時所需要的手工安裝步驟。

支持轉(zhuǎn)換器通常所需要的其它一些功能是：啟動、軟啟動、自動重啟動、欠壓鎖定(UVLO)、過壓關(guān)斷以及MOSFET電流檢測和限流。

啟動：

一旦轉(zhuǎn)換器開始工作，它通常從主變壓器上的輔助繞組向PWM控制芯片提供電源。然而，當(dāng)電源首次被施加到轉(zhuǎn)換器時，輔助電源沒有電，必須利用附加電路向控制器提供初始工作電流。當(dāng)初始供電電路被集成到控制器IC之中時，工程師既不需要參與其設(shè)計，也不需要擔(dān)心其正確的工作，特別是如果該電路需要非常少的外部元器件實(shí)現(xiàn)正常工作的話。這就縮短了設(shè)計周期，與此同時，也減少了元器件的數(shù)量。

軟啟動：

集成啟動電路也可以被設(shè)計為緩慢松開轉(zhuǎn)換器使其進(jìn)入完全工作。在軟啟動期間，開關(guān)占空比最初非常低，并在開始工作的最初幾毫秒期間緩慢增加。這就減輕了對各種電源元器件的壓力，使它們的壽命更長。

自動重啟動：

高可靠性和穩(wěn)定性工作要求防止轉(zhuǎn)換器或負(fù)載的元器件出現(xiàn)故障。當(dāng)保護(hù)功能被集成到IC內(nèi)部時，設(shè)計工程師的工作就極大地減輕了。此外，一種設(shè)計良好的自動重啟動功能可以限制某種故障期間可能被傳遞到負(fù)載的功率，并且可以通過有效反饋信號的丟失來激活，而不是由對IC供電電源的丟失來激活。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵谳敵鲞^載條件期間偏置電源可能提供足夠保持IC正常工作的功率，所以，不能依賴它的丟失作為故障保護(hù)的手段。

UVLO和過壓關(guān)斷：

欠壓關(guān)斷模式是當(dāng)供電電壓低于IC的開啟門限電壓時的一種保護(hù)模式。欠壓關(guān)斷模式可保證IC在供電電壓不足時不致于被損壞。一個低電壓鎖定(UVLO)電路可確保IC在電池電壓未達(dá)到安全操作電壓前不同激活，UVLO的功能會展示滯后現(xiàn)象，以確保在電源供應(yīng)架上的噪音不會不慎導(dǎo)致系統(tǒng)故障。當(dāng)類似低電壓或高電壓狀況發(fā)生于監(jiān)控輸出或在系統(tǒng)電源供應(yīng)出現(xiàn)低電壓的錯誤時，所有監(jiān)控的電源供應(yīng)可能會激發(fā)出像是一排序電源關(guān)閉的操作之內(nèi)部錯誤反應(yīng)，或是一種立即的強(qiáng)迫關(guān)閉。

雖然在發(fā)現(xiàn)和分級期間接口電路執(zhí)行最初的欠壓鎖定功能，DC-DC轉(zhuǎn)換器也需要具備它自己的UVLO功能以滿足IEEE802.3af規(guī)范對工作范圍的要求。過壓關(guān)斷功能保護(hù)負(fù)載免受在CAT-5電纜上的反常高壓。此外，這兩種功能都應(yīng)該被集成到IC之中，以保持設(shè)計時間盡可能短。

MOSFET電流感測和限流：

金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其通道的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數(shù)十至數(shù)百埃(Å)不等，通常材料是二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)，不過有些新的進(jìn)階制程已經(jīng)可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做為氧化層之用。

在每一個開關(guān)周期感測和限制峰值MOSFET電流可能有助于防止變壓器飽和并使轉(zhuǎn)換器更為穩(wěn)定。在低功率級別，MOSFET電流感測是利用一個與MOSFET源極串聯(lián)的電流感測電阻實(shí)現(xiàn)的;這有效地增加了MOSFET漏-源極(RDS(ON))的導(dǎo)通電阻，但是，降低了轉(zhuǎn)換器的效率。然而，當(dāng)MOSFET與控制器一道被集成到同一晶片之上時，不需要任何外部元器件就可以感測和限制峰值MOSFET電流。除了減少轉(zhuǎn)換器的元器件數(shù)量之外，集成電流限制功能可以比利用外部元器件要快得多，并使轉(zhuǎn)換器更為強(qiáng)健可靠。

使用將所有這些功能都集成的電源轉(zhuǎn)換IC,設(shè)計時間可以被控制得非常短。此外，元器件數(shù)量和電源級的成本可以仍然非常低，甚至在采用分立接口電路的情況下，只要DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠被足夠地集成。Power

Integrations公司已經(jīng)利用它的DPA-Switch產(chǎn)品家族開發(fā)了一種低成本、可靠的PD電源級。基于這種方法的電源級的電路圖如圖3所示。

圖3：基于DPA-Switch器件的PD電源級電路圖

此分立接口電路僅僅需要16個元器件，并已通過美國新罕布什爾州大學(xué)的互通性聯(lián)盟(UNH-IOC)的測試。該DC-DC轉(zhuǎn)換器圍繞Power

Integrations公司高度集成的電源轉(zhuǎn)換IC(U1)進(jìn)行設(shè)計，并且僅僅需要33個元器件。熱保護(hù)、啟動電流源、軟啟動、自動重啟動、UVLO、過壓關(guān)斷和MOSET電流感測及限流功能都完全集成到U1之中。220

V集成MOSFET的擊穿電壓(BVDSS)足夠高，150V齊納箝位二極管(VR3)足以保護(hù)集成MOSFET漏極節(jié)點(diǎn)免受反激電壓尖峰的干擾。

一個電阻(R5)就使UVLO和過壓關(guān)斷功能成為可能，與此同時，四個其它元器件(Q20、R21、R22和R23)降低了UVLO功能的關(guān)閉閾值以滿足IEEE802.3af要求。U1的控制引腳是為接收來自IC及輸出反饋而接收電源電流的電流輸入端。反饋信號的丟失會造成U2中斷向U1提供偏置電流，從而使之進(jìn)入它的自動重啟動保護(hù)模式。此外，U1利用集成的MOSFE漏-源極之間的壓降來感測每一個開關(guān)周期的漏極(DRAIN)電流。如果漏極電流超過器件的峰值電流限制，集成比較器就會將MOSFET關(guān)斷。當(dāng)與適當(dāng)設(shè)計的變壓器一道使用時，這種電流限制功能排除了變壓器飽和的可能性，使轉(zhuǎn)換器非常強(qiáng)健可靠。DC-DC轉(zhuǎn)換器的其余部分是簡單的由電壓模式控制的反激式電路。

本文小結(jié)

PoE PD設(shè)計工程師正面臨著降低他們的電源級成本而不犧牲可靠性的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體集成是正用于解決這個問題的主要技術(shù)，其中有兩種常用方法。雖然接口電路與PWM控制器的集成最初看來是不錯的方法，但是，把PWM控制器和功率MOSFET集成在一起能夠既降低成本又可以縮短設(shè)計周期，而同時又不犧牲可靠性。DPA-Switch家族產(chǎn)品為設(shè)計工程師提供一種解決他們的PoE PD設(shè)計挑戰(zhàn)的有效的解決方案。