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          如何由以太網(wǎng)絡(luò)供電獲得更大功率

          作者: 時間:2010-10-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要

          本文以多種電源電路為例,說明如何由兩個或兩個以上的以太網(wǎng)端口獲取功率,文中將概括說明每種電路,以及實際運作時面對的部份設(shè)計問題。

          簡介

          以太網(wǎng)供電 (Power over Ethernet, PoE) 已經(jīng)是一種普遍的概念,并被應用于網(wǎng)絡(luò)電話、保全監(jiān)控系統(tǒng)、收款機等產(chǎn)品。PoE藉由以太網(wǎng)聯(lián)機來傳輸電源。在 PoE 供電網(wǎng)絡(luò)中,由供 (power source equipment, PSE) 提供電源,在聯(lián)機產(chǎn)生 44 - 57 V 的輸出電壓;在以太網(wǎng)聯(lián)機的另一端,受 (powered device, PD)會消耗這些功率。雖然目前正在定義較高功率的供電標準,不過現(xiàn)在受可用的功率,在單一以太網(wǎng)聯(lián)機的情況下限制在 13W 左右。遺憾的是,這樣的功率往往不足以支持復雜的應用,因此某些高功率的受電端設(shè)備,需要將多個連接埠的功率轉(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),可由多重輸入來源提供隔離的功率轉(zhuǎn)換,簡介如下。

          下降法

          DC/DC并聯(lián)電源普遍使用的一項技術(shù),就是所謂的下降法。如果并聯(lián)電源的輸出電壓降低,升高,并聯(lián)電源將會分享電流。這種方式不需要在電源之間通訊,也不會出現(xiàn)單一錯誤失效的情形,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。這個電路使用差動放大器 (U1B) 測量輸出電流,并將誤差注入補償放大器 (U1A) 的調(diào)節(jié)回路中,只需要加入幾個電阻以及一個放大器,就可以達到自動電流分享。

          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)計的額定設(shè)定值為 5V,變動程度為 ±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,在沒有負載的情況下,一般會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輸出任何電流。隨著增加,輸出電壓開始下降,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始提供電流。以上述假設(shè)的最差情況公差來看,在最低輸出電壓電源開始作用之前,第一個電源已提供 70 % 左右的輸出功率,這種現(xiàn)象并不理想,因為不夠可靠,不過在某些狀況下可能可以接受。隨著負載電流進一步增加,第一個電源可能到達極限,之后由剩余的兩個電源負責增加電流,從而達到全功率操作。

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

          圖 2:下降法的最差電流分享相當糟糕。

          交錯式返馳

          平衡多重輸入功率的另一項技術(shù)為交錯法。交錯法和下降法一樣,它針對每個輸入使用不同的功率級,并將電源供應至一個共同輸出。和下降法不同之處,在于交錯功率級(或稱相位)共享一個通用的一次側(cè)(primary side)控制器,這種方式可以降低成本,每個功率級也可在反相位(out of phase)時同步。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。在交錯法中,所有功率輸入必須共享同一回路 (return),因此在某些應用中無法使用這種方法。

          許多脈寬調(diào)變 (PWM) 控制器專門針對交錯法進行設(shè)計,如果只需要兩種相位,可以使用推挽式控制器(push-pull controller)執(zhí)行交錯法,以大幅降低成本。圖 3 為二相位交錯式返馳電源,使用類似 UCC2808 的推挽式控制器,這種芯片會限制每個相位的負載周期至 50%,并將兩個功率級以 180 度的反相位方式進行轉(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,每個相位的輸出功率,與初級峰值電流的平方值成正比,因此可自然平衡由兩個輸入電源獲得的功率。這種技術(shù)可以使兩個輸入電源的功率差距縮減到 5% 以內(nèi)。初級金氧半晶體管(MOSFET)的切換延遲是造成不均衡狀態(tài)的主要原因,在兩個輸入電壓不相等時情況最糟。由控制器所提供的峰值電流限制,會限制由二個輸入端獲得的最大功率,而負載周期箝位會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)動交錯式返馳

          使用二次側(cè)負載分享控制器來分享功率

          在多個輸入間分享功率的第三種方式,是透過二次側(cè)負載分享芯片來實現(xiàn)。采用此方式,具有遠程感測能力的獨立電源,不管數(shù)量多寡,均可共享同一輸出。負載分享 芯片 常與電源模塊共享,請參考圖 4的范例。一個分流電阻被用來測量每個轉(zhuǎn)換器所供應的電流。因為公差與寄生阻抗,其中一個電源將供應較多的電流,此電源會作為主電源,并將在負載分享 (LS) 總線上設(shè)定電壓,從屬單元使用此負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)換器的遠程感測導線上注入電壓,如此可從主電源控制負載的輸出電壓,保持良好的負載調(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確度,一般來說在完全負載時優(yōu)于 3%。

          由于每個并聯(lián)電源都需要一個負載分享控制器,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法。此外,不建議同時使用負載分享控制器與同步整流器,因為可能在啟動或加入、移除個別電源時發(fā)生問題。

          圖 4:UCC39002 負載分享控制器可以并聯(lián)獨立電源。

          主/從隔離一次側(cè)電流分享

          另一項可使用于并聯(lián)電源的技術(shù),就是感測一個初級電流(主),然后與另一個電流比較(從)。不論使用或電流變壓器,都可以在電源間傳輸電流信息,同時維持隔離狀態(tài)。電流變壓器是最佳選擇,因為可以用最低的成本達到良好效能。此外,相較于,電流變壓器具有良好的準確度。電流變壓器的準確度由圈數(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%。的準確度則依賴電流轉(zhuǎn)換率公差,最好的狀況為 30%。

          結(jié)論

          表 1 顯示四種負載分享方式的比較結(jié)果。下降法是最簡單的方式,也是成本最低廉的方式之一,不過效能最差,但不會發(fā)生單點失效情形。一般而言,效能最佳的技術(shù)是負載分享控制器,也是最昂貴的解決方案。使用交錯初級控制器或光耦合器/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、供電輸入數(shù)目、以太網(wǎng)絡(luò)供電輸入是否需要彼此隔離,這些額外因素都需要考慮,才能決定應該選用何種方法。為你的應用使用適當?shù)募夹g(shù),可由以太網(wǎng)絡(luò)供電獲得最大功率。

          表 1:負載分享控制器效能最佳,但是成本較高

          復雜程度成本

          共同功率
          回路

          單點故障負載調(diào)節(jié)負載分享準
          確度
          下降法簡單$$
          交錯法一般$非常好良好
          負載分享 IC一般$$$非常好非常好
          光耦合器 / 電流
          變壓器電流分享
          復雜$

          非常好



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