淺析省去外接電源的以太網(wǎng)電源架構(gòu)方案

本文以多種電源電路為例，說(shuō)明如何由兩個(gè)或兩個(gè)以上的以太網(wǎng)路埠獲取功率，文中將概括說(shuō)明每種電路，以及實(shí)際運(yùn)作時(shí)面對(duì)的部分設(shè)計(jì)問(wèn)題。以太網(wǎng)供電 (Power over Ethernet, PoE) 已經(jīng)是一種普遍的概念，并被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電話、保全監(jiān)控系統(tǒng)、收銀機(jī)等產(chǎn)品。PoE借由以太網(wǎng)路連線來(lái)傳輸電源。在 PoE 供電網(wǎng)絡(luò)中，由供電端設(shè)備 (power source equipment, PSE) 提供電源，在以太網(wǎng)路連線產(chǎn)生 44 - 57 V 的輸出電壓；在以太網(wǎng)路連線的另一端，受電端設(shè)備 (powered device, PD)會(huì)消耗這些功率。

雖然目前正在定義較高功率的以太網(wǎng)路供電標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)現(xiàn)在受電端設(shè)備可用的功率，在單一以太網(wǎng)路連線的情況下限制在 13W 左右。遺憾的是，這樣的功率往往不足以支持復(fù)雜的應(yīng)用，因此某些高功率的受電端設(shè)備，需要將多個(gè)連接埠的功率轉(zhuǎn)換為可用電壓，并與 48V 輸入電壓的電流隔離。目前有多種技術(shù)，可由多重輸入來(lái)源提供隔離的功率轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)介如下。

下降法

DC/DC并聯(lián)電源普遍使用的一項(xiàng)技術(shù)，就是所謂的下降法。如果并聯(lián)電源的輸出電壓降低，負(fù)載電流升高，并聯(lián)電源將會(huì)分享電流。這種方式不需要在電源之間通訊，也不會(huì)出現(xiàn)單一錯(cuò)誤失效的情形，而且需要的附加零件非常少。如果使用電流模式控制，只需要限制控制回路的直流電增益，就能產(chǎn)生與負(fù)載電流的增減成正比的輸出電壓下降。如果需要更高的精確度，可以使用如圖 1 的電路。這個(gè)電路使用差動(dòng)放大器 (U1B) 測(cè)量輸出電流，并將誤差注入補(bǔ)償放大器 (U1A) 的調(diào)節(jié)回路中，只需要加入幾個(gè)電阻以及一個(gè)放大器，就可以達(dá)到自動(dòng)電流分享。

圖 1：下降法需要增加的零件很少

遺憾的是，下降分享方式并非十分精確。圖 2 為最糟狀況下的變動(dòng)程度，其中電阻公差為 1%，參照公差為 1.5%，總下降為 10%，此設(shè)計(jì)的額定設(shè)定值為 5V，變動(dòng)程度為 ±5 % 的下降幅度。最小與最大曲線顯示在極限狀態(tài)下的組件公差。如果將這些電源以并聯(lián)方式連接，在沒(méi)有負(fù)載的情況下，一般會(huì)由輸出最高的電源調(diào)節(jié)輸出電壓。如果電源使用如圖 1 所示的二極管調(diào)節(jié)，最低輸出的電源將不會(huì)輸出任何電流。隨著負(fù)載電流增加，輸出電壓開(kāi)始下降，由具有最高輸出電壓的電源提供所有電流，直到輸出值下降至 5.25V，之后輸出第二高的電源開(kāi)始提供電流。以上述假設(shè)的最差情況公差來(lái)看，在最低輸出電壓電源開(kāi)始作用之前，第一個(gè)電源已提供 70 % 左右的輸出功率，這種現(xiàn)象并不理想，因?yàn)椴粔蚩煽浚贿^(guò)在某些狀況下可能可以接受。隨著負(fù)載電流進(jìn)一步增加，第一個(gè)電源可能到達(dá)極限，之后由剩余的兩個(gè)電源負(fù)責(zé)增加電流，從而達(dá)到全功率操作。

具有同步整流功能的電源架構(gòu)，可以讓電源供應(yīng)或吸入輸出電流，這對(duì)于此種控制方法會(huì)造成很大的問(wèn)題。在極端的情況下，單一電源可能會(huì)試圖調(diào)節(jié)高電流端與低電流端。如果在沒(méi)有負(fù)載時(shí)發(fā)生這種情況，有些電源會(huì)供應(yīng)電流至輸出，同時(shí)有些電源則會(huì)由輸出端吸入電流，這樣會(huì)從某個(gè)電源獲得功率，再饋電至第二個(gè)電源，而不會(huì)將功率傳送至負(fù)載；因此建議在零安培時(shí)停用同步整流。

圖 2：下降法的最差電流分享相當(dāng)糟糕

交錯(cuò)式返馳

平衡多重輸入功率的另一項(xiàng)技術(shù)為交錯(cuò)法。交錯(cuò)法和下降法一樣，它針對(duì)每個(gè)輸入使用不同的功率級(jí)，并將電源供應(yīng)至一個(gè)共同輸出。和下降法不同之處，在于交錯(cuò)功率級(jí)（或稱相位）共享一個(gè)通用的一次側(cè)（primary side）控制器，這種方式可以降低成本，每個(gè)功率級(jí)也可在反相位（out of phase）時(shí)同步。同步可以降低輸出電容器的漣波電流，因此可使用較小的輸出濾波器。在交錯(cuò)法中，所有功率輸入必須共享同一回路 (return)，因此在某些應(yīng)用中無(wú)法使用這種方法。

許多脈寬調(diào)變 (PWM) 控制器專門(mén)針對(duì)交錯(cuò)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果只需要兩種相位，可以使用推挽式控制器（push-pull controller）執(zhí)行交錯(cuò)法，以大幅降低成本。圖 3 為二相位交錯(cuò)式返馳電源，使用類似 UCC2808 的推挽式控制器，這種芯片會(huì)限制每個(gè)相位的負(fù)載周期至 50%，并將兩個(gè)功率級(jí)以 180 度的反相位方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種推挽式控制器使用峰值電流模式控制，可以讓兩種相位保持在接近相同的峰值電流值。在非連續(xù)返馳中，每個(gè)相位的輸出功率，與初級(jí)峰值電流的平方值成正比，因此可自然平衡由兩個(gè)輸入電源獲得的功率。這種技術(shù)可以使兩個(gè)輸入電源的功率差距縮減到 5% 以內(nèi)。初級(jí)金氧半電晶體（MOSFET）的切換延遲是造成不均衡狀態(tài)的主要原因，在兩個(gè)輸入電壓不相等時(shí)情況最糟。由控制器所提供的峰值電流限制，會(huì)限制由二個(gè)輸入端獲得的最大功率，而負(fù)載周期箝位會(huì)在欠壓與失效狀況下限制輸入電流。

圖 3：推挽式控制器驅(qū)動(dòng)交錯(cuò)式返馳

使用二次側(cè)負(fù)載分享控制器來(lái)分享功率

在多個(gè)輸入間分享功率的第三種方式，是透過(guò)二次側(cè)負(fù)載分享芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用此方式，具有遠(yuǎn)端傳感能力的獨(dú)立電源，不管數(shù)量多寡，均可共享同一輸出。負(fù)載分享芯片常與電源模組共享，請(qǐng)參考圖 4的范例。一個(gè)分流電阻被用來(lái)測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)換器所供應(yīng)的電流。因?yàn)楣钆c寄生阻抗，其中一個(gè)電源將供應(yīng)較多的電流，此電源會(huì)作為主電源，并將在負(fù)載分享 (LS) 總線上設(shè)定電壓，從屬單元使用此負(fù)載分享總線電壓作為輸入?yún)⒖?，以控制自己的輸出電流。如果要調(diào)整從屬單元，可以在從屬轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)端傳感導(dǎo)線上注入電壓，如此可從主電源控制負(fù)載的輸出電壓，保持良好的負(fù)載調(diào)節(jié)。使用這種主／從方式，可以產(chǎn)生非常好的電流分享準(zhǔn)確度，一般來(lái)說(shuō)在完全負(fù)載時(shí)優(yōu)于 3%。

由于每個(gè)并聯(lián)電源都需要一個(gè)負(fù)載分享控制器，以及外部的分立組件，因此這種方法的組件數(shù)量與成本略高于下降法與交錯(cuò)法。此外，不建議同時(shí)使用負(fù)載分享控制器與同步整流器，因?yàn)榭赡茉趩?dòng)或加入、移除個(gè)別電源時(shí)發(fā)生問(wèn)題。

圖 4：UCC39002 負(fù)載分享控制器可以并聯(lián)獨(dú)立電源

主／從隔離一次側(cè)電流分享

另一項(xiàng)可使用于并聯(lián)電源的技術(shù)，就是傳感一個(gè)初級(jí)電流（主），然后與另一個(gè)電流比較（從）。不論使用光耦合器或電流變壓器，都可以在電源間傳輸電流資訊，同時(shí)維持隔離狀態(tài)。電流變壓器是最佳選擇，因?yàn)榭梢杂米畹偷某杀具_(dá)到良好效能。此外，相較于光耦合器，電流變壓器具有良好的準(zhǔn)確度。電流變壓器的準(zhǔn)確度由圈數(shù)比公差與電阻公差所決定，前者優(yōu)于 2%，后者數(shù)值一般為 1%。光耦合器的準(zhǔn)確度則依賴電流轉(zhuǎn)換率公差，最好的狀況為 30%。

結(jié)論

表 1 顯示四種負(fù)載分享方式的比較結(jié)果。下降法是最簡(jiǎn)單的方式，也是成本最低廉的方式之一，不過(guò)效能最差，但不會(huì)發(fā)生單點(diǎn)失效情形。一般而言，效能最佳的技術(shù)是負(fù)載分享控制器，也是最昂貴的解決方案。使用交錯(cuò)初級(jí)控制器或光耦合器／電流變壓器技術(shù)，可以在成本與效能間取得平衡。此外像是同步整流器的使用、以太網(wǎng)路供電輸入數(shù)目、以太網(wǎng)路供電輸入是否需要彼此隔離，這些額外因素都需要考慮，才能決定應(yīng)該選用何種方法。為你的應(yīng)用使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，可由以太網(wǎng)路供電獲得最大功率。

表 1：負(fù)載分享控制器效能最佳，但是成本較高