一種適合VoIP電話應(yīng)用的低成本 PoE 接口

一家領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)管理解決方案供應(yīng)商曾希望為其新一代 IP 語音 (VoIP) 產(chǎn)品尋求簡(jiǎn)單的功率轉(zhuǎn)換級(jí)方案。為此，Power Integrations (PI) 開發(fā)出一種適用于電話上的以太網(wǎng)供電 (PoE) 分立接口電路，以幫助 OEM 廠商滿足其設(shè)計(jì)和成本目標(biāo)。

如今，支持 PoE 功能的集線器、路由器和交換機(jī)正逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。因此，眾多的 OEM 在設(shè)計(jì)其無線接入點(diǎn)設(shè)備、VoIP 電話和閉路安保攝像頭時(shí)，都采用通過連接到通信網(wǎng)絡(luò)的 CAT-5 電纜進(jìn)行供電的方案。

用電設(shè)備 (PD) 中的 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換級(jí)必須將其功率要求傳輸給供電設(shè)備 (PSE)，以便 PSE 能通過電纜向其供電(如圖 1 所示)。功率轉(zhuǎn)換器需要降低和調(diào)節(jié)電纜電壓，并能適應(yīng)在 CAT-5 以太網(wǎng)上傳輸電源造成的顯著線路壓降。在高功率負(fù)載情況下，壓降尤為明顯。這就為設(shè)計(jì)帶來了一些問題。

圖1 PoE供電原理

簡(jiǎn)單、低成本且可靠的受電設(shè)備電源解決方案

為使 PoE 接口和功率轉(zhuǎn)換級(jí)在支持 2 級(jí)和 3 級(jí)受電設(shè)備的同時(shí)滿足客戶的 BOM 成本目標(biāo)，PI 推出采用 DPA-Switch系列高集成度功率轉(zhuǎn)換 IC 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，從而提供了高可靠性的解決方案。采用 DPA-Switch 可有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，結(jié)合分立接口電路設(shè)計(jì)所帶來的成本降低，可使 OEM 在滿足其成本目標(biāo)的同時(shí)，符合在功能、可靠性和穩(wěn)定性等方面的要求。此外，該方案還減少了使用的元件數(shù)目，這不但可以降低總體成本，而且能提高平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的可靠性。

一種靈活的低成本解決方案

該方案僅采用少數(shù)分立元件，即可實(shí)現(xiàn)滿足 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)要求的用電設(shè)備/供電設(shè)備接口。此外，它還非常靈活，只需更改單個(gè)電阻值，用電設(shè)備就能將自己分類為 0 類、1 類、2 類或 3 類設(shè)備。

DPA-Switch 系列 IC 在單個(gè) CMOS 芯片上集成了高頻功率 MOSFET、PWM 控制器和眾多的保護(hù)功能。這既可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，又能減少 DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的元件數(shù)目。DPA-Switch 系列的各個(gè) IC 分別為不同尺寸的 MOSFET，因此輸出功率可通過更改使用的 IC 進(jìn)行調(diào)整。 

考慮到 VoIP 應(yīng)用的具體情況，PI 選擇采用 DPA423P 器件來設(shè)計(jì) DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)。由于 VoIP 電話只需要單路 3.3 V 電壓輸出和最大為 2 A 的電流，因此轉(zhuǎn)換器采用反激式設(shè)計(jì)(如圖 2 所示)以節(jié)省成本。初始情況下，VR31 和 VR32 會(huì)抑制分級(jí)和 PWM 電路，直到成功完成簽名階段。在識(shí)別簽名后，提供給受電設(shè)備的電壓將升高，直到齊納二極管 VR31 開始導(dǎo)通。然后，打開一個(gè)恒流源，以提供分級(jí)電流信號(hào)，該信號(hào)將由供電設(shè)備進(jìn)行讀取。級(jí)別由 R34 的電阻值決定。在成功確定用電設(shè)備類別后，電壓將再次升高并通過 VR32 打開 Q35，從而使功率轉(zhuǎn)換級(jí)開始工作。恒流分級(jí)電路將通過 R35 停用，以降低功耗。 

圖2 基于DPA423P的反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

輸入大容量電容(C1 和 C2)被分成兩部分，并形成一個(gè)簡(jiǎn)單的 π 型濾波器，以抑制差模EMI 干擾。電阻 R4 和 R6 降低 MOSFET 的內(nèi)部電流限制，并使其最大負(fù)載周期與輸入電壓成比例變化，從而獲得可靠的最大(輸出)功率限制。這種方式簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，同時(shí)還可采用較低電壓和電流 (30 V, 4 A) 的肖特基二極管作為輸出整流器。電阻 R5 激活 U1 的輸入欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓關(guān)斷功能，而電阻 R21、R22、R23 和 Q20 則強(qiáng)化了欠壓鎖定功能的滯后效應(yīng)，以適應(yīng) IEEE802.3af 以太網(wǎng)電源應(yīng)用中的高電壓降情況。 

當(dāng)輸出電壓超出規(guī)定值時(shí)，DPA-Switch 的自動(dòng)重啟功能可將供電設(shè)備的輸出功率限制至滿負(fù)載時(shí)的 4％ 左右，而不必依靠斷開 IC 的 VDD 電源來進(jìn)行保護(hù)。從而為供電設(shè)備和負(fù)載設(shè)備提供了充分的保護(hù)。

結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)真正的通用性，PoE用電設(shè)備解決方案必須符合 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)。PI 提出的用電設(shè)備簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)已經(jīng)過 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威機(jī)構(gòu)--英國(guó)新罕布什爾大學(xué)互操作性協(xié)會(huì) (UNH-IOC) 的檢驗(yàn)，并且檢驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)不僅符合 IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)，而且能夠應(yīng)用于目前的所有供電設(shè)備。有關(guān) UNH-IOC 檢驗(yàn)報(bào)告副本以及經(jīng)證實(shí)可與 PI 解決方案配合使用的供電設(shè)備列表，可從網(wǎng)站 www.powerint.com/PoE上獲取。

該方案能充分滿足客戶對(duì)接口電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性、可靠性、穩(wěn)定性以及權(quán)威認(rèn)證和成本效益等方面的要求；同時(shí)，DPA-Switch 系列集成電路還具有多功能性和伸縮性，從而允許客戶快速簡(jiǎn)便地將該方案應(yīng)用于其它用電設(shè)備當(dāng)中。