用于以太網(wǎng)供電的反激式電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　由于通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的電子設(shè)備無(wú)需依靠交流電，而且系統(tǒng)的整體成本也較低，因此 PoE 解決方案很快便大受市場(chǎng)歡迎。以網(wǎng)絡(luò)電話為例，采用不中斷電源供應(yīng) (UPS) 技術(shù)可以保證供電更穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)浪涌電流、盜電、電力中斷等情況。此外，世界各地都普遍采用 RJ-45 連接器，因此各地的 PoE 設(shè)備可以兼容。采用 PoE 技術(shù)的電子設(shè)備不但具有管理上的靈活，而且還具備遠(yuǎn)程通、斷電能力。 但以太網(wǎng)集線器的供電量以及以太網(wǎng)電纜的電流傳輸量畢竟有限。為確保兩者不出現(xiàn)過(guò)載，國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE) 特別為需要通過(guò)以太網(wǎng)獲得供電的負(fù)載制定 802.3af PoE 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保有關(guān)負(fù)載的電氣特性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

Sat Mar 10 2007

　　符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的用電設(shè)備操作模式

　　2003年6月IEEE通過(guò)采納有關(guān)PoE產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定舊式和PoE設(shè)備都必須

同樣獲得安全可靠的供電，原有的電纜網(wǎng)絡(luò)須繼續(xù)保留，而饋電時(shí)不會(huì)令傳送的信號(hào)出現(xiàn)衰減或錯(cuò)誤。IEEE 還規(guī)定必須采用標(biāo)準(zhǔn)的第5e類(lèi) (CAT-5e) 以太網(wǎng)電纜，而且必須利用電纜內(nèi)四對(duì)雙絞銅導(dǎo)線中的兩對(duì)傳送48V直流電（見(jiàn)圖1）。供電量分為4個(gè)級(jí)別，最低供電量為每端口4W，而最高的供電量則為每端口15.4W。

　　供電設(shè)備 (PSE) 可以利用特征檢測(cè)功能，測(cè)量電纜阻抗的大小，以確定用電設(shè)備 (PD) 是否已連接。供電設(shè)備可以根據(jù)其內(nèi)部設(shè)定作出判斷，若阻抗的測(cè)量值介于23.75kΩ ~ 26.25kΩ，便可斷定已連接用電設(shè)備。PoE設(shè)備的操作模式次序見(jiàn)圖2。

　　若電壓超過(guò) 23V，供電設(shè)備執(zhí)行欠壓鎖定 (UVLO) 功能，以防出現(xiàn)不理想的特征電阻，確保用電設(shè)備的電壓升至最高值之后，才為輸入電容器充電以及將輸出電壓穩(wěn)定在指定的范圍內(nèi)。此外，用電設(shè)備也可將有關(guān)其用電級(jí)別的資料直接通知供電設(shè)備。欠壓鎖定一旦解除之后，控制器的接口電路便會(huì)為負(fù)載電容充電。這個(gè)負(fù)載電容是專(zhuān)為開(kāi)關(guān)模式電源供應(yīng)而設(shè)的輸入電容。為了確保充電過(guò)程不會(huì)失控，主功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流規(guī)定不可超過(guò) 450mA ，并且浪涌限流值可另外設(shè)定。

　　但由于許多新一代 PoE 設(shè)備所需的供電量往往超過(guò)目前的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因此 LM5072 芯片設(shè)有特別的功能，容許芯片利用輔助電源提供的供電，而且最高電流可以設(shè)定為 800mA，使供電可高達(dá) 25W。

　　適用于 PoE 供電系統(tǒng)的典型DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

　　從線路布局的角度看，反激式轉(zhuǎn)換器非常適合于 PoE 供電系統(tǒng)，而事實(shí)上反激式轉(zhuǎn)換器也最受歡迎。反激式轉(zhuǎn)換器不但設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)單，而且兼顧了成本和效率，適用于隔離式的多輸出供電系統(tǒng)，可為典型的應(yīng)用提供低至幾W、高至 20W ~ 30W的輸出功率。

　　雖然進(jìn)行低功率操作時(shí)，反激式轉(zhuǎn)換器通常都采用非連續(xù)導(dǎo)電模式 (DCM)，但連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) 的效率最高，因?yàn)橐阅骋惠敵龉β蕿榛鶞?zhǔn)作比較，初級(jí)線圈場(chǎng)效應(yīng)晶體管的均方根 (RMS) 電流較小。一般來(lái)說(shuō)，采用非連續(xù)導(dǎo)電模式操作有兩個(gè)理由，其一是可以采用較小的變壓器，此外，又可將控制傳送函數(shù)的右半平面零 (right half plane zero) 移到足夠高的高頻區(qū)，以便將不利影響減至最小。

　　至于PoE供電系統(tǒng)的供電量及輸入電壓范圍，我們只要作出幾個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，便可得出以下的結(jié)論 ：右半平面零處于足夠高的高頻區(qū)內(nèi)，因此不會(huì)構(gòu)成任何問(wèn)題。以連續(xù)導(dǎo)電模式為例來(lái)說(shuō)，反激式轉(zhuǎn)換器的右半平面零的頻率下限可以利用以下公式計(jì)算 ：

　　在上述公式中，Vin為輸入電壓、D為初級(jí)線圈場(chǎng)效應(yīng)晶體管的占空比、Iin 為平均輸入電流，而L則為變壓器的磁化電感。上述應(yīng)用實(shí)例若采用連續(xù)導(dǎo)電模式操作，變壓器的磁化電感值一般均設(shè)定為100mH。若最低輸入電壓為26V、最高輸入電流為360mA，而初級(jí)線圈場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相關(guān)占空比數(shù)值為0.4，若根據(jù)以上的數(shù)值運(yùn)算，右半平面零無(wú)論在任何操作情況都會(huì)處于64kHz的頻率下限。對(duì)大部分PoE設(shè)備來(lái)說(shuō)，這個(gè)頻率下限對(duì)反饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)只會(huì)有微不足道的影響。

　　由于LM5070、LM5071及 LM5072等幾款控制器是高度集成的電路，因此供電系統(tǒng)只需添加極少的外置元件，便符合IEEE802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖 3 是 PoE 供電系統(tǒng)的典型應(yīng)用電路圖，圖中的電路采用LM5072 芯片。這是一款內(nèi)置 100V PoE 用電設(shè)備接口并可支持后備電源的 PWM 控制器。采用 LM5072 芯片的好處是用電設(shè)備在選擇供電來(lái)源方面有較大的靈活性，例如不同配置的用電設(shè)備都可利用后備電源的供電，其中包括交流電。

　　以采用連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器的電路布局為例，采用快速 PWM 電流模式控制器會(huì)較為理想，因?yàn)檫@樣不但可以控制及限制輸入電流的流量，而且還可穩(wěn)定同一電路的輸出電壓。此外，我們也可調(diào)節(jié)功率晶體管的占空比，以便控制線路及電流的瞬態(tài)響應(yīng)。占空比的大小取決于輸出電壓的誤差及鋸齒波形，而兩者都取決于流入外置電流傳感電阻的初級(jí)線圈電感電流。

　　我們可將電流傳感信號(hào)與內(nèi)部參考電壓加以比較，以便為每一周期設(shè)定限流值。我們也可為電流斜波信號(hào)提供內(nèi)部斜率補(bǔ)償，以便解決占空比超過(guò) 50% 時(shí)分諧波振蕩所產(chǎn)生的內(nèi)部不穩(wěn)定問(wèn)題。

　　結(jié)論

　　反激式連續(xù)導(dǎo)電模式不但設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本較低，而且還可發(fā)揮極高的效率，是 PoE 設(shè)備普遍采用的設(shè)計(jì)方案。