用于以太網(wǎng)供電的直流/直流轉(zhuǎn)換器

　　本文提供了一個(gè)低成本、高效率的（87%）隔離直流/直流變換器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)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(lái)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(shí)，諸如IP電話(VoIP)和無(wú)限局域網(wǎng)的應(yīng)用有望增長(zhǎng)到一千八百萬(wàn)個(gè)單位（來(lái)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(wú)限局域網(wǎng)接入點(diǎn)以及其他裝置。下面我們來(lái)探討 變換器的設(shè)計(jì)。

　　為什么用逆向變換器？

　　逆向變換拓?fù)湟恢笔窃O(shè)計(jì)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(gè)磁性元件和一個(gè)輸出整流器，所以它有簡(jiǎn)單和低成本的優(yōu)勢(shì)。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(jì)困難

　　低功率變換器是很難獲得高效率的，因?yàn)槠煤涂刂齐娐饭β蕮p耗相對(duì)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(wèn)題看得更清楚，因?yàn)榉螾oE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(kāi)關(guān)型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(kāi)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(gè)受電端設(shè)備插入一個(gè)PoE系統(tǒng)時(shí)，會(huì)依次出現(xiàn)三個(gè)不同的階段；它們是檢測(cè)、分類(lèi)和供電接通，它們還應(yīng)符合一定的時(shí)序關(guān)系。

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

　　分類(lèi) ：0類(lèi)(缺省的最大功率類(lèi))，不需要向 PSE 提供任何額外信息，因此電路簡(jiǎn)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(wèn)題，PD 電源應(yīng)能夠在最低電壓 36V 時(shí)工作。該電路在檢測(cè)/分類(lèi)階段將 PD 與 PSE 隔離開(kāi)。實(shí)際上，這是一種欠壓鎖閉機(jī)制，當(dāng)輸入電壓高于 30V 時(shí)，將打開(kāi)Mosfet Q₁。

　　偏置電路、PWM啟動(dòng)和軟啟動(dòng)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(dòng)開(kāi)關(guān)操作。

　　一旦它啟動(dòng)開(kāi)關(guān)操作，通過(guò)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(dòng)）電平11V，IC PWM控制器就會(huì)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(guò)軟啟動(dòng)功能來(lái)緩慢提升。

　　變壓器設(shè)計(jì)

　　逆向變換器中的變壓器大概是該設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。要做的第一個(gè)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(shí)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(jì)參數(shù)的結(jié)果，我們得到初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的電流組合，它們將給出最佳工作點(diǎn)或"有效點(diǎn)"，使損耗最低。

　　電源設(shè)計(jì)者都知道漏電感對(duì)額外的功率損耗和Mosfet漏極電壓尖脈沖在開(kāi)關(guān)時(shí)的增加有多大作用。因此，漏電感應(yīng)最小化在本例中用來(lái)減少漏電感的技術(shù)是將初級(jí)繞組交錯(cuò)分成兩半。

　　廣泛應(yīng)用的 EFD20（經(jīng)濟(jì)扁平設(shè)計(jì)）芯型為電源的微型化提供了巨大幫助。如需更多信息，參見(jiàn)"Magnetics Design" Philips Semiconductor Applications. 1995。變壓器的最終規(guī)格包括了一個(gè)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(jì)，有必要定制一個(gè)元件。在當(dāng)前設(shè)計(jì)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(kāi)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(jiǎn)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(hào)放大器。

　　這種專(zhuān)門(mén)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(shí)，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(jì)、實(shí)際輸入電壓和電流檢測(cè)電阻決定交叉點(diǎn)。隨著輸出功率減小，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)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(guò)與初級(jí)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(shí)間。初級(jí)電流通過(guò)外部電阻檢測(cè)。

　　過(guò)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(shí)間之后激活，該消隱時(shí)間提供了電流檢測(cè)噪聲免疫功能。

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

　　開(kāi)關(guān)MOSFET

　　為了獲得最高的效率和易于驅(qū)動(dòng)，顯而易見(jiàn)的解決方案是從 PWM IC 的輸出引腳直接驅(qū)動(dòng)一個(gè) N 溝道Mosfet，因?yàn)檫@樣不需要使用外部驅(qū)動(dòng)器。Mosfet的選擇應(yīng)基于開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間的折衷來(lái)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(lái)提高可靠性。由于在關(guān)閉時(shí)僅有相當(dāng)小的電壓尖脈沖和阻尼震蕩，沒(méi)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(jì)得到簡(jiǎn)化。

　　構(gòu)建參考設(shè)計(jì)

　　按照?qǐng)D2構(gòu)建了一個(gè)參考設(shè)計(jì)演示板，除了輸入/輸出引腳和測(cè)試點(diǎn)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(cè)得的效率

　　從圖3可以注意到，由于采用降頻和脈沖跳過(guò)技術(shù)，在低負(fù)荷特別是無(wú)負(fù)荷時(shí)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(lái)自對(duì)Mosfet損耗的保守估計(jì)。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(guò)仔細(xì)挑選元件，可以為PoE供電設(shè)備構(gòu)建一個(gè)不但具有簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有體積小和效率高等優(yōu)點(diǎn)的直流/直流變換器。