用于PoE應(yīng)用的低成本隔離電源

本文描述一種用于PoE(Power-over-Ethernet以太網(wǎng)供電)用電裝置(PoweredDevice-PD)的易用、低成本、隔離電源|穩(wěn)壓器。以太網(wǎng)供電是通過(guò)已有的CAT-5Ethernet纜線為以太裝置提供數(shù)據(jù)和電源新功能。PoE由IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)決定。PoE正在迅速得到制造商和用戶(如VoIP電話，無(wú)線接入點(diǎn)，保密相機(jī)、售貨終端)的喜愛(ài)。PoE系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：

·低成本—可以消除墻上電源。

·靈活的接入點(diǎn)配置—無(wú)線接入點(diǎn)不再需要配置在AC電源的周?chē)?或需要有AC電源線通過(guò))。

·遠(yuǎn)程管理能力：IP電話和WLAN接入點(diǎn)可以遠(yuǎn)程上電或下電。遠(yuǎn)程主機(jī)可以確定有多少裝置需要電源和決定哪些裝置應(yīng)該通電。

·較高的可靠性：在開(kāi)關(guān)末端可以用冗余電源。

·全球兼容性：PoE建立一個(gè)通用全球電源連接器。

為了依從IEEEE802.3afPoE標(biāo)準(zhǔn)，Ethernet線上的用電裝置(PD)必須在起動(dòng)時(shí)能被識(shí)別，被分類(lèi)，被控制并滿足隔離要求。按802.3af的隔離要求，一個(gè)PD應(yīng)該在電源接口(PI)線，外部導(dǎo)線和機(jī)架地之間提供電氣隔離。隔離必須滿足IEC60950-1:200子項(xiàng)6.2的1500VSELV要求。安裝在塑料殼中的VoIP電話(無(wú)外部連接器或纜線)可滿足這種要求。實(shí)現(xiàn)隔離的另一種方法是用帶變壓器的電源變換器，它具有1500V隔離和光隔離輸出電壓反鎖。電氣隔離對(duì)VoIP電話和WLAN接入點(diǎn)制造商來(lái)講是一種應(yīng)留心的選擇，希望在其用于下游臺(tái)式PC的產(chǎn)品中包含另外的Ethernet端口。

本文所描述的隔離電源能經(jīng)Ethernet纜線為PD工作提供系統(tǒng)電壓。電源由下列部分組成：PoE控制器，EMI濾波器，隔離電源變換器和第二變換器。盡管此電源是專門(mén)為VoIP電話設(shè)計(jì)時(shí)，但其特性是通用的，并可容易適用于其他PoE應(yīng)用，此電源的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是：低成本、小尺寸、高效率和符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)。

PoE控制器

TPS2370是做為電源設(shè)備(PSE)和用電裝置(PD)的接口。執(zhí)行IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)所需的所用檢測(cè)，分類(lèi)起動(dòng)電流限制和開(kāi)關(guān)FET控制。當(dāng)PSE加電壓1.8V~10V到24.9KΩ顯示電阻R2時(shí)，檢測(cè)Ethernet的存在，當(dāng)PSE加15V~20V到分類(lèi)電阻R5時(shí)，設(shè)置PD的分級(jí)。PD的分類(lèi)電平標(biāo)記PD需要多小來(lái)自Ethernet線路的電源。內(nèi)部FET和控制電路限制來(lái)自Ethernet線路的啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)電流，用戶可用R4設(shè)置啟動(dòng)電流限制。C10用于消除線路電感引起的啟動(dòng)振蕩

IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)限制該輸入電容器大小為0.15mF，D9防止任何耦合進(jìn)Ethernet線路的瞬變。在此應(yīng)用中，D1~D4隔離Ethernet電源和外部穩(wěn)壓48VDC電源。二極管通常也用在Ethernet線路保護(hù)極性反向和提供自動(dòng)極性校正。

輸入EMI濾波器

PD和隔離電源所產(chǎn)生的噪聲可能干擾所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和連接在同一Ethernet線路上其中PD裝置的工作。

IEEE820.3af規(guī)定為保證數(shù)據(jù)完整性在PI/PD接口上所允許的最大紋波。此電源工作在100KHz，而在此頻率峰—峰電壓紋波限制是200mV。應(yīng)注意，基頻100KHz的諧波和PD也可產(chǎn)生噪聲，這會(huì)增加濾涉要求。L1、L2和C3是一個(gè)差分濾波器，用于降低隔離電源所產(chǎn)生的電流脈沖，由于雜散電容所致在輸入電源線上也會(huì)產(chǎn)生噪聲。L3和L5濾波這些共模電流。IEEE802.3af限制是共模和差分模式紋波。很多PD也必須滿足FCC/EU輻射標(biāo)準(zhǔn)，所以，共模濾法器設(shè)計(jì)應(yīng)把此需求考慮進(jìn)去。

隔離電源變換器

具有自動(dòng)驅(qū)動(dòng)同步整流器3.3V輸出的反激變換器用于該設(shè)計(jì)。同步整流器與肖特基二極管相比，具有非常小的壓降，這可增加效率。為了使用同步整流器在整個(gè)初級(jí)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)間具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)波形，就需要連續(xù)電流模式工作。T1是反激變壓器(實(shí)際是一個(gè)電感器，它儲(chǔ)存能量)，MOSFETQ2隨可變占空比和100KHz周期開(kāi)和關(guān)，使T1儲(chǔ)存能量，在Q2導(dǎo)通期間，輸出電容器提供全部負(fù)載電流。在Q2關(guān)閉期間，Q1柵板和源極之間的電壓是正的，使其導(dǎo)通。電流流入輸出電容器，重新充電這些電容器并進(jìn)入3.3V負(fù)載。為了穩(wěn)壓3.3V輸出，測(cè)量電壓與TLV431A并聯(lián)穩(wěn)壓器U5中的基準(zhǔn)進(jìn)行比較。光電隔離器U4提供反饋通路中的隔離。U3是UCC3809PMW控制器，它控制Q2導(dǎo)通時(shí)間，然后調(diào)整3.3V輸出。Q2導(dǎo)通時(shí)間控制儲(chǔ)存在T1中的能量值，依次調(diào)整提供給次級(jí)的能量，穩(wěn)定3.3輸出。

在變壓器T1增加另一繞組(用適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比)產(chǎn)生第二個(gè)輸出電壓。肖特基二插管D5，在Q2關(guān)閉期間正向偏置，允許電流流入輸出電容器和5V負(fù)載。以這種方式所產(chǎn)生的第二個(gè)輸出是半穩(wěn)壓輸出，其容差為8%~10%，這取決于輸入線路和負(fù)載。為了得到更好的穩(wěn)壓，把輸出設(shè)置銷(xiāo)微高于所需電壓，并采用低壓降穩(wěn)壓器(LDO)來(lái)提供較高的穩(wěn)壓性能。LDO可達(dá)到1%~2%容差。

非隔離電源變換器

PD需要另外2個(gè)電壓，需要1個(gè)可調(diào)12V~24V(20mA)，用于LCD顯示的偏置。3×3mmQFN封裝的TPS61045高頻升壓變換器U6用于升壓3.3V輸出。DSP芯核電壓需要1.5V(250mA)。TPS62210同步降壓變換器(SOT23-5封裝)U7用于降壓3.3V到1.5V(效率87%)。這兩個(gè)IC器件都具有內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)和控制環(huán)路補(bǔ)償，這減少了外部元件數(shù)，板空間和成本。