有源橋整流器可減少PoE安保攝像機(jī)內(nèi)部的熱耗散

引言

作為“復(fù)雜電纜布線”這個(gè)老問題的一種解決方案，以太網(wǎng)供電 (PoE) 受到了視頻監(jiān)控行業(yè)的廣泛歡迎。例如：基本的傳統(tǒng)固定視圖安保攝像機(jī)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(dú)的同軸電纜則用于傳輸視頻信號(hào)。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(shù)據(jù)和功率。一切都變得簡(jiǎn)單了。對(duì)嗎?

不但如此。為了滿足與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性，攝像機(jī)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(jī)。此類攝像機(jī)必須接受來自 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(jī)制造商為解決該問題所采用的電源架構(gòu)。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(duì)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關(guān)電源，這接著為攝像機(jī)電子線路供電。

這種電源架構(gòu)帶來了幾個(gè)難題。當(dāng)攝像機(jī)由輔助輸入供電時(shí)，3 個(gè)二極管 (在圖 1 中用圓圈標(biāo)出) 位于電源通路中。該設(shè)計(jì)除了效率低且可能存在熱問題 (因二極管耗散功率所致) 之外，3 個(gè)二極管還會(huì)在開關(guān)電源的輸入端上產(chǎn)生顯著的電壓降。對(duì)于一個(gè) 10W 至 15W 攝像機(jī)來說，這些難題可以輕松克服；但是，最新的安保攝像機(jī)已使該功耗倍增。如針對(duì)室外操作的云臺(tái)變焦 (PTZ) 和攝像機(jī)鏡頭加熱器等功能使這種電源架構(gòu)無法適應(yīng)這些新型攝像機(jī)。

圖 1：輔助輸入和 PoE 電源架構(gòu)

為了說明該架構(gòu)的缺點(diǎn)，我們以一部 26W 攝像機(jī)為例。當(dāng)采用一個(gè) 12V DC 輔助輸入 (假設(shè)實(shí)際上是 9V DC，因?yàn)槭褂昧宋凑{(diào)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)，開關(guān)電源的輸入電壓為 7.5V (9V – 3 ? 0.5V)。這部攝像機(jī)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(dǎo)致攝像機(jī)的內(nèi)部溫度升高，想緩解這種狀況，不僅棘手和費(fèi)時(shí)，成本也很高昂。

采用理想二極管來改善性能

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(biāo)出)。理想二極管就是簡(jiǎn)單地通過控制而起普通二極管作用的 MOSFET。理想二極管的優(yōu)勢(shì)是使設(shè)計(jì)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(yuǎn)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 控制器來消除。其拓?fù)湓试S使用幾個(gè)小信號(hào)二極管 (在圖 2 中用紅色圈在一起) 以實(shí)現(xiàn)輔助輸入檢測(cè)。這些二極管不像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣位于電源通路當(dāng)中，因此它們不會(huì)產(chǎn)生任何額外的電壓降或熱問題。

圖 2：改進(jìn)的電源架構(gòu) (電源通路中沒有二極管壓降)

結(jié)果

與圖 1 中的電源架構(gòu)相比，圖 2 所示的電源架構(gòu)顯著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(gòu)的最終功耗現(xiàn)在僅為 116mW (2.9A ? 2 ? 20mV)，而原來的架構(gòu)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、功率變壓器和開關(guān) MOSFET) 中的功率耗散，這是因?yàn)槠?I2R 功率損耗下降所致。通過簡(jiǎn)單的計(jì)算可得出該降幅為 31% (100% – 2.9A2 / 3.5A2)。

結(jié)論

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