單芯片解決方案的以太網(wǎng)饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于利用以太網(wǎng)饋電的電子設(shè)備無(wú)需倚靠交流電插座提供供電，而且系統(tǒng)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(duì)于網(wǎng)絡(luò)電話來(lái)說(shuō)，采用不斷電電源供應(yīng)(UPS)不但可以保證供電穩(wěn)定可靠，而且較少出現(xiàn)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(shè)備都能兼容，而且符合以太網(wǎng)饋電要求的電子設(shè)備還有可靈活管理及遠(yuǎn)程通電/斷電的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司VentureDevelopmentCorp.的調(diào)查顯示，符合以太網(wǎng)饋電要求的集成電路的全球銷量估計(jì)會(huì)由2004年的1.33億顆增至2007年的2.46億顆。

受電設(shè)備(PD)只要采用以太網(wǎng)饋電技術(shù)，便可通過(guò)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)電纜獲得電源供應(yīng)。供電設(shè)備(PSE)預(yù)先準(zhǔn)確測(cè)量受電設(shè)備，以確保該設(shè)備符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。若受電設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)，供電設(shè)備便會(huì)為其提供48伏(V)的供電。(參看圖1)

可與IEEE標(biāo)準(zhǔn)兼容的受電設(shè)備的操作模式

美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3af技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如規(guī)定舊式設(shè)備及符合以太網(wǎng)饋電要求的設(shè)備同樣可以在安全的情況下獲得供電，電纜的原有結(jié)構(gòu)可以保留下來(lái)，而供電時(shí)不會(huì)令數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，例如饋電網(wǎng)必須采用內(nèi)含兩對(duì)或四對(duì)雙扭銅線的標(biāo)準(zhǔn)第5e類(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，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(shè)備會(huì)先測(cè)量電纜的阻抗(特性確認(rèn))，以便通過(guò)這樣的檢測(cè)確定受電設(shè)備是否已真正連線。若阻抗介于23.75kW與26.25kW之間，供電設(shè)備便可斷定受電設(shè)備已真正連線。

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

(圖2：標(biāo)稱電壓的檢測(cè)、分級(jí)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(diào)制電流模式進(jìn)行控制，而且具備組建PoE輸電系統(tǒng)所需的一切功能(參看圖3)。

(圖3：LM5070受電設(shè)備的系統(tǒng)區(qū)域)

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM5070控制器芯片具備很多獨(dú)特的功能，令這款芯片很容易融入現(xiàn)成的設(shè)計(jì)之中：

-內(nèi)置的高性能電流模式控制器設(shè)有完全符合IEEE802.3AF標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備接口；
-用戶可自行設(shè)定特性確認(rèn)電阻、欠壓鎖定(UVLO)閾值、浪涌電流及認(rèn)定的分級(jí)電流；
-浪涌/故障電流限幅保護(hù)、可自動(dòng)重試的每周期電流限幅以及過(guò)熱停機(jī)等功能；
-欠壓鎖定閾值及磁滯：系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以利用兩個(gè)外接電阻分別設(shè)定欠壓鎖定跳轉(zhuǎn)點(diǎn)及磁滯；
-內(nèi)部供電順序：PoE受電設(shè)備接口與直流/直流轉(zhuǎn)換器可在LM5070芯片之內(nèi)互相通信；
-隔離或非隔離式直流/直流電源供應(yīng)器配置：非隔離轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的光耦合器晶體管提供上拉功能；
-切斷特性確認(rèn)電阻：完成受電設(shè)備的檢測(cè)之后，25kW的特性確認(rèn)電阻便會(huì)被切斷，以免降低功率轉(zhuǎn)換效率。

典型的以太網(wǎng)饋電直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)：

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(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且只需極少外接元件便可提高系統(tǒng)的性能。圖4顯示一款只需加設(shè)極少外接元件的非隔離回掃輸出電源供應(yīng)器，例如開(kāi)關(guān)式金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)(Si4848,150V/3A)、設(shè)有初級(jí)及次級(jí)線圈的變壓器、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(yīng)器提供支持。

(圖4：LM5070是最小化非隔離輸出“0”級(jí)別電源供應(yīng)器的解決方案。)

回掃連續(xù)模式的線路布局比較適宜采用快速的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流模式控制器，因?yàn)檫@種控制器可以控制輸入電流，并為其設(shè)定限幅，而且還可穩(wěn)定同一電路之內(nèi)的輸出電壓。只要調(diào)節(jié)功率晶體管的占空度，便可確定線路及電流的瞬態(tài)響應(yīng)。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(cè)電流電阻的初級(jí)線圈電感電流所產(chǎn)生。

這款控制器只要將電流感測(cè)信號(hào)與內(nèi)部參考電壓加以比較，便可為輸入電流設(shè)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(wěn)定因素，但只要為電流斜坡信號(hào)提供內(nèi)部斜率補(bǔ)償，即使占空度超過(guò)50%，不穩(wěn)定的問(wèn)題也不會(huì)出現(xiàn)。

(圖5：設(shè)有可編程級(jí)別設(shè)定及可編程浪涌保護(hù)電流的隔離回掃電源供應(yīng)器)

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

(1)可編程設(shè)定的控制器電流過(guò)高保護(hù)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(yīng)晶體管出現(xiàn)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(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，或出現(xiàn)其他超越安全警戒的事件。

同時(shí)，Coilcraft公司已為L(zhǎng)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(tǒng)能充分發(fā)揮其效率。

如欲了解更多有關(guān)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體電源資料，請(qǐng)瀏覽：http://www.national.com/see/apads/c4pwr.cgi