以太網(wǎng)供電參考設(shè)計(jì)

幾乎所有商業(yè)大廈都會(huì)鋪設(shè)CAT-5電纜，其主要應(yīng)用為10/100 Mb/s以太網(wǎng)。根據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，四對(duì)雙絞線纜中只有兩對(duì)用于數(shù)據(jù)傳送，另外兩對(duì)則未被使用。采用以太網(wǎng)供電 (Power over Ethernet；PoE) 結(jié)構(gòu)，即IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，電源可以施加到未被使用的線對(duì)上。雖然PoE技術(shù)也可用于運(yùn)載數(shù)據(jù)的線對(duì)，但本文將集中討論利用未被使用線對(duì)的方法。一般終端設(shè)備都可從這項(xiàng)技術(shù)中獲益，包括無(wú)線寬帶路由器和IP電話，而報(bào)警系統(tǒng)、恒溫器及標(biāo)記閱讀器等設(shè)備也可受益于PoE。
PoE的設(shè)計(jì)正日漸增多。其原理是在未被使用的線對(duì)上施加48V電壓，并向接收數(shù)據(jù)信號(hào)的單元提供全部功率。本文將討論在供電設(shè)備 (PSE) 的接收端設(shè)計(jì)一種為供電裝置 (PD) 而設(shè)的輸入控制電路，以及包括DC/DC切換轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，將48V電壓調(diào)低至IC適用水平。
 檢測(cè)算法
當(dāng)為CAT-5電纜提供48V電壓時(shí)，假如接收設(shè)備不支持PoE便會(huì)出現(xiàn)問題，PSE將率先啟動(dòng)檢測(cè)算法，發(fā)出介于2.8V至10V之間的感測(cè)信號(hào)，并監(jiān)測(cè)電流。PD輸入電路的輸入信號(hào)電阻Rs的范圍必須在23.75KW~26.25KW之間，使得PSE能夠繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證操作。PSE也可能需要一個(gè)并聯(lián)電容，這會(huì)在以下的PD輸入設(shè)計(jì)部分討論。 之后，PSE會(huì)進(jìn)行選擇性的功率分類操作，以便設(shè)置可從線路獲得最大功率量。通過將電壓快速升高至15.5V~20.5V的水平，并測(cè)量吸收的電流，PSE可將PD分為四個(gè)類別。PSE實(shí)際發(fā)出的電平會(huì)隨設(shè)備單元而變化，而某些設(shè)備在電流分類時(shí)僅輸出8V電壓。
在達(dá)到信號(hào)電阻和電流分類規(guī)格之后，PSE會(huì)快速升至48V的標(biāo)稱PoE電壓。但必須注意幾個(gè)因素，如過沖電流限制、過壓保護(hù)以及欠壓鎖定。
使用分立元件的PD輸入設(shè)計(jì)
這里所講的PSE算法只涉及全部PoE性能的極少部分。下面的示例是使用幾個(gè)分立元件的PD輸入電路參考設(shè)計(jì)。
圖1描述了PD輸入的基本流程。從左邊開始，需要提供尖峰電壓保護(hù)，以避免損壞連接的MOSFET或DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入。由于可使用300英尺以上的介質(zhì)和磁性隔離單元將PSE和PD分隔開來，因此過多電壓瞬變現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)會(huì)很大。一種保護(hù)方法是使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 將尖峰信號(hào)鉗位在預(yù)定的電平上。另外，為了防止48V電路的極性錯(cuò)接，可使用反向二極管將電流吸收回電源中。
如前所述，必須有合適的信號(hào)阻抗提供給PSE。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，25KW電阻器跨接在48V電路上，并存在于整個(gè)功率序列中。如果通過這個(gè)電阻器的2mA電流是強(qiáng)調(diào)功率應(yīng)用效率設(shè)備的主要功耗源頭，便需在設(shè)計(jì)中加入額外的檢測(cè)晶體管，以便在PD檢測(cè)完成后將信號(hào)電阻器從功率環(huán)路中移去。在電流分類階段保留25kW電阻器具有雙重作用，可以幫助PSE確定全功率。
某些PSE單元在為PD提供48VDC之前，會(huì)搜索超過一個(gè)的有效信號(hào)電阻器。這些PSE單元可能需要少量的電容，與25kW電阻器平行放置。圖1中PD原理圖所示的典型值為0.1mF。這個(gè)電容器同時(shí)用于PD檢測(cè)和旁路保護(hù)，能夠吸收由帶電插入操作引起的高頻瞬流。
本示例使用的MOSFET用于欠壓鎖定 (UVLO)，其規(guī)格應(yīng)依據(jù)總體功耗來確定。對(duì)于負(fù)載較輕的和對(duì)成本敏感的應(yīng)用中，可采用1.25A、 60V MOSFET-FDD5618P。而15A、60V MOSFET-FDD5614P則適用于重型的負(fù)載應(yīng)用，同時(shí)需要維持低器件溫度。該MOSFET的柵極通過專用齊納二級(jí)管連接至PSE輸出電平，在達(dá)到預(yù)定條件之前，它不會(huì)連接PSE和DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的節(jié)點(diǎn)。

PD DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
在為負(fù)載IC供電之前，負(fù)載IC可以是IP電話或無(wú)線寬帶路由器，48V DC輸入必須逐步降低至更有用的水平。在這種情況下應(yīng)使用開關(guān)電源以維持足夠的效率。下面要討論的參考設(shè)計(jì)中的回掃式轉(zhuǎn)換器就是用來將輸入電壓降低至5V。
對(duì)PoE而言，DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要規(guī)格指標(biāo)是過沖電流限制。如果轉(zhuǎn)換器的輸入電容大于180mF，而且PSE不支持內(nèi)部電流限制，則PD輸入電路必須進(jìn)行過沖電流限制。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電容處于規(guī)范之內(nèi)，所以無(wú)需附加電流限制。假如輸入電容超過180mF，就可通過增加有源的電流限制電路來限制過沖電流。這個(gè)示例具有許多不同的選擇，但幾乎所有PSE單元均可根據(jù)PSE轉(zhuǎn)換器規(guī)格來啟動(dòng)電流限制。
PoE電源設(shè)計(jì)具有30V~57V的輸入電流范圍(應(yīng)用的典型值為48V)，以及最大輸出電流額定值為3A的5V輸出(15W)。使用回掃式拓樸的目的是將總體設(shè)計(jì)成本降到最低，并能夠?qū)崿F(xiàn)70%~80%的總體額定效率。圖2所示為回掃式電源設(shè)計(jì)原理圖。

初級(jí)電路
下面討論電源原理圖(見圖2)，但不包括變壓器磁性元件。
輸入電容
在AC/DC電源中，使用輸入濾波器電容可減少全波整流電路的電壓紋波。在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，輸入濾波器電容可用來去除電路上的瞬壓變化，甚至在主電路電壓完全中斷時(shí)維持輸入電壓。舉例說，如果初級(jí)電路需要一定的保持時(shí)間(無(wú)輸入電壓)，C1需達(dá)到數(shù)百或數(shù)千法拉，在這情況下，可使用47mF電容在PoE輸入電路中除去所有瞬壓變化。
緩沖器電路
為了保護(hù)PWM控制器 (IC1) 的內(nèi)部SenseFET (源－漏極最大額定電壓為200V)，將緩沖器電路設(shè)計(jì)為輸入電壓的兩倍。其中，為了計(jì)算緩沖電阻的阻值，須首先確定初始峰值電流。初始峰值電流也有助于確定緩沖電阻 (R11)的最大額定功率。初始峰值電流可利用最差的條件參數(shù)來計(jì)算，即當(dāng)內(nèi)部SenseFET導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到最大值時(shí)，可從主線路上吸取的最大電流量(當(dāng)Vin=30V)。

(1)
一旦知道初始峰值電流，便可計(jì)算出緩沖電阻器R11的數(shù)值，如方程式2所示。

(2)
為了獲得尺寸合適的電阻器，必須計(jì)算它在PWM控制器停用時(shí)所需處理的功率(如3式)。
                  (3)
緩沖電容器應(yīng)具有低有效串聯(lián)電阻 (ESR)，如陶瓷電容器，以便將尖峰電壓降至最小。
振鈴電路
振鈴電路 (C10和R12) 也很重要，它能在SenseFET釋放至電源輸入電壓時(shí)，減少變壓器初級(jí)的振鈴現(xiàn)象。
當(dāng)次級(jí)電流在不連續(xù)模式下降至零時(shí)，這兩種元件有助于消除初級(jí)的振鈴現(xiàn)象。典型值為R=300W~1500W，及C=500pF~5000pF。
啟動(dòng)電路
輸入電壓電容器 (C4) 規(guī)格必需配合，以執(zhí)行精確的工作。在軟啟動(dòng)期間，Vcc電容器 (C4) 由DC線路的60mA (典型值) 啟動(dòng)電流，通過R2進(jìn)行充電，而Vcc電容器通過10mA IC工作電流和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電流 (Qg