用于以太網(wǎng)供電的直流/直流轉(zhuǎn)換器

　　本文提供了一個低成本、高效率的（87%）隔離直流/直流變換器的設(shè)計和試驗結(jié)果，該變換器可在用于以太網(wǎng)供電（PoE）應(yīng)用的受電端設(shè)備（PDs）中使用，符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3af。

　　IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3af 在2003年6月被批準(zhǔn)，它定義了在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線上進(jìn)行低功率（15.4W）[低電壓（-48Vdc）]分配的規(guī)范和協(xié)議。未來幾年內(nèi)，PoE有望成為所有高端交換機(jī)和路由器的標(biāo)準(zhǔn)組成。例如，到2007年時，諸如IP電話(VoIP)和無限局域網(wǎng)的應(yīng)用有望增長到一千八百萬個單位（來源：iSuppli）。此外，PoE還可以消除在邊遠(yuǎn)地區(qū)安裝交流適配器和交流插座的必要。
　　供電端設(shè)備（PSE）是提供電源的設(shè)備，而受電端設(shè)備（PD）是位于網(wǎng)線另一端能夠接受電源的網(wǎng)絡(luò)輔助設(shè)備。 這些受電端設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)攝像頭，IP電話機(jī)，無限局域網(wǎng)接入點以及其他裝置。下面我們來探討 變換器的設(shè)計。

　　為什么用逆向變換器？

　　逆向變換拓?fù)湟恢笔窃O(shè)計者用于低功率（50W以下）隔離變換器的傳統(tǒng)選擇。它僅僅需要一個磁性元件和一個輸出整流器，所以它有簡單和低成本的優(yōu)勢。盡管如此，還是可以獲得很高的效率。

　　用于受電端設(shè)備的變換器的基本規(guī)格為：輸入電壓在36V~57V之間，5V輸出電壓和最大2.2A輸出電流。

　　設(shè)計困難

　　低功率變換器是很難獲得高效率的，因為偏置和控制電路功率損耗相對于輸出電壓而言較高，在低負(fù)荷運(yùn)行期間有較大的影響。在我們的示例中，該問題看得更清楚，因為符合PoE的接口電路中的偏置功率損耗有所增加。仔細(xì)配置，選擇變壓器和開關(guān)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Mosfet），可以極大地降低功率損耗。此外，低負(fù)荷下的開關(guān)頻率降頻技術(shù)可以用于節(jié)約電能。

　　符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3.af的接口

　　當(dāng)一個受電端設(shè)備插入一個PoE系統(tǒng)時，會依次出現(xiàn)三個不同的階段；它們是檢測、分類和供電接通，它們還應(yīng)符合一定的時序關(guān)系。

　　PSE接受PD的檢測標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)現(xiàn)有效的信號電阻。使用的信號電阻為24KΩ，它位于PD檢測范圍之內(nèi)。為了節(jié)省功率損耗，當(dāng)輸入電壓高于 30V 時我們將該電阻斷開，這樣可以節(jié)省大約 85mW 的功率。

　　分類 ：0類(缺省的最大功率類)，不需要向 PSE 提供任何額外信息，因此電路簡單。

　　供電接通電路：PSE 最低供電電壓為 44V，但是為了解決以太網(wǎng)電纜、連接器、傳輸線變壓器和整流器中的損耗問題，PD 電源應(yīng)能夠在最低電壓 36V 時工作。該電路在檢測/分類階段將 PD 與 PSE 隔離開。實際上，這是一種欠壓鎖閉機(jī)制，當(dāng)輸入電壓高于 30V 時，將打開Mosfet Q₁。

　　偏置電路、PWM啟動和軟啟動功能

　　電源最終從 PSE 釋放后，由R₂₁ 和Q₅構(gòu)成的調(diào)節(jié)器向控制電路供給初始輸入電壓，電流為 PWM IC 去耦電容器充電，直到達(dá)到其UVLO電平，然后PWM啟動開關(guān)操作。

　　一旦它啟動開關(guān)操作，通過輔助繞組形成的電壓將降低Mosfet Q₅的 Vgs電壓，直到其關(guān)閉。這將停止電流流經(jīng)泄漏電阻器，從而節(jié)省了一定的功率損耗。當(dāng)引腳V_CC上的電壓一達(dá)到V_CC（啟動）電平11V，IC PWM控制器就會激活變換器。為了防止變壓器在切換期間出現(xiàn)紊亂，變壓器峰值電流將通過軟啟動功能來緩慢提升。

　　變壓器設(shè)計

　　逆向變換器中的變壓器大概是該設(shè)計中最關(guān)鍵的部分。要做的第一個決定是允許的最大工作占空比（本例中小于 50%），它將給定所需的變壓比。其次，我們選擇變壓器磁感應(yīng)系數(shù)，以實現(xiàn)在中高負(fù)荷情況下能夠連續(xù)輸送。作為那些設(shè)計參數(shù)的結(jié)果，我們得到初級側(cè)和次級側(cè)的電流組合，它們將給出最佳工作點或"有效點"，使損耗最低。

　　電源設(shè)計者都知道漏電感對額外的功率損耗和Mosfet漏極電壓尖脈沖在開關(guān)時的增加有多大作用。因此，漏電感應(yīng)最小化在本例中用來減少漏電感的技術(shù)是將初級繞組交錯分成兩半。

　　廣泛應(yīng)用的 EFD20（經(jīng)濟(jì)扁平設(shè)計）芯型為電源的微型化提供了巨大幫助。如需更多信息，參見"Magnetics Design" Philips Semiconductor Applications. 1995。變壓器的最終規(guī)格包括了一個EFD20/AL250鐵氧體磁芯，和繞組Np=26，N_P1=18以及Ns=8。為了優(yōu)化設(shè)計，有必要定制一個元件。在當(dāng)前設(shè)計中，Pulse公司提供了定制部件。

　　PWM控制器

　　控制部分包括 飛利浦 TEA1506 PWM 控制器 IC 和反饋補(bǔ)償電路。

　　GreenChipTM II是第二代綠色開關(guān)模式電源 (SMPS) 控制 IC。高集成度可以使外部元件數(shù)減少，使電源成本更低。之所以選擇該 PWM 控制器 IC，是基于其低成本和簡單易用。由于是用在隔離變換器中，因此該 I C 不需要內(nèi)含誤差信號放大器。

　　這種專門的內(nèi)置綠色功能可以在所有功率水平使效率達(dá)到最優(yōu)。當(dāng) IC 配置為工作于連續(xù)輸送模式時，控制器將工作在固定頻率模式 (175kHz) 的高中功率水平。在低負(fù)荷條件期間，隨著功率水平下降，控制器將轉(zhuǎn)為不連續(xù)模式，由放大器的設(shè)計、實際輸入電壓和電流檢測電阻決定交叉點。隨著輸出功率減小，開關(guān)頻率會降低。

　　由于其良好的線路調(diào)整行為，電流控制模式被采用。通過與初級電流信息進(jìn)行比較，內(nèi)部轉(zhuǎn)換控制電壓調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間。初級電流通過外部電阻檢測。

　　過流保護(hù)（OCP）：每周期峰值漏極電流限制電路在前導(dǎo)消隱時間之后激活，該消隱時間提供了電流檢測噪聲免疫功能。

　　過熱保護(hù)（OTP）：IC將進(jìn)入重復(fù)的安全重啟模式。

　　開關(guān)MOSFET

　　為了獲得最高的效率和易于驅(qū)動，顯而易見的解決方案是從 PWM IC 的輸出引腳直接驅(qū)動一個 N 溝道Mosfet，因為這樣不需要使用外部驅(qū)動器。Mosfet的選擇應(yīng)基于開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間的折衷來確定，以使總損耗達(dá)到最小。本例中使用的200V Mosfet為SO8封裝的飛利浦 PHK4NQ20T。該200V Mosfet提供了大于80%的電壓降額因子來提高可靠性。由于在關(guān)閉時僅有相當(dāng)小的電壓尖脈沖和阻尼震蕩，沒有必要使用緩沖器，從而只有很少的浪費(fèi)，并且電路設(shè)計得到簡化。

　　構(gòu)建參考設(shè)計

　　按照圖2構(gòu)建了一個參考設(shè)計演示板，除了輸入/輸出引腳和測試點之外，全部采用表面安裝元件。它用標(biāo)準(zhǔn)的兩層1oz銅箔厚度的FR4 PCB制造。所有的功率元件在板的上層；下層包含大多數(shù)控制電路。

　　測得的效率

　　從圖3可以注意到，由于采用降頻和脈沖跳過技術(shù)，在低負(fù)荷特別是無負(fù)荷時獲得了很高的效率。結(jié)果優(yōu)于前面的估算；差異大部分來自對Mosfet損耗的保守估計。變換器在更低和更高輸入電壓情況下獲得了相似的效率。

　　結(jié)論

　　通過仔細(xì)挑選元件，可以為PoE供電設(shè)備構(gòu)建一個不但具有簡單和成本低的優(yōu)勢，同時還具有體積小和效率高等優(yōu)點的直流/直流變換器。