本文概述了 PoE PD 设计,包括实现这些系统的设计人员面临的挑战,并介绍了如何使用集成的 PoE PD 和反激式电源转换器优化设计;
以太网供电 (PoE) 解决方案使以太网电缆能够传输直流电源,数据信息同时并行传输到 IP 终端设备 , 所有这些都无需更改以太网标准设置的现有电线连接。在一根电缆中传输电力和数据简化了安装,提高了可靠性,并通过消除对电源和以太网线的需求来降低成本,这使得PoE设备成为机房和办公室以及旧建筑物的热门选择,在这些建筑物中安装新电源线可能不方便。
本文将概述 PoE PD 设计,讨论设计人员在实现这些系统时面临的挑战,并介绍如何使用 MP8017(集成 PoE PD 和反激式电源转换器)优化 PoE PD 设计,以验证建议。
PoE技术的演进
1999年,IEEE和以太网联盟致力于标准化PoE,目标是确保更广泛的连接用电设备(PD)和供电设备(PSE)之间的互操作性。这些标准中的第一个,IEEE 802.3af,于2003年获得批准。该标准规定,电源必须能够由备用对或数据对在单根电缆内承载。今天的PoE标准是IEEE802.3bt(90W),它涵盖了其他应用,如5G小型蜂窝,显示单元和AP路由器。图 1 显示了 IEEE PoE 标准的时间表,从 1999 年的 ≤10W 标准开始。
图 1:PoE 标准演进历史
PoE的功率等级分类
PoE 设备根据其所需的功率分配一个类(类 0 到 8,总共 9 个类)。802.3af标准涵盖0至3类,电压范围在37V至57V之间,输出功率高达15.4。建议将这些设备用于传感器和简单的相机。
802.3at标准(也称为PoE +)引入了4类,在相同的电压范围内将输出功率提高到30W,尽管这些设备仅与PoE + PSE兼容。这些器件可用于复杂的相机、LCD 显示器和平板电脑。
最后,802.3bt标准(也称为PoE ++)引入了5类到8类,输出功率在45W和90W之间。这些设备可以支持建筑物中的笔记本电脑、电视和电气系统。图2总结了这些功率等级及其相关的输入电压、输入功率和输出电压。
图 2: PoE 功率分类
PoE 的工作原理
网络电缆由成对绞合的电线组成,数据对能够发送信息,未使用的电线称为备用对。当 PD 和 PSE 成功通信时,称为握手。当 PSE 与 PD 握手时,它遵循下面列出的主要步骤:
- 局部放电检查:PSE向局部放电电阻(24.9kΩ)发送测试电压(<10.1V)。如果阻抗值匹配,则表示存在标准 PoE 设备
- 功率分类:PSE发送一个电压并获得电流反馈,以确认PD的功率水平(从1级到8级)
- 电源:PSE的输入功率上升到约54V
- 稳定电源和监控:功率稳定在54V左右,根据分类结果限制最大功率
- 断开连接:如果 PD 断开连接,PSE 将停止供电。
图 3 显示了整体通信结构。
图 3:PSE 和 PD 通信硬件结构
图4显示了PSE和PD之间发生手抖时电压电平的变化。
图4:握手时输入电压变化
设计 PoE 解决方案时的挑战
PoE设备面临着一些挑战,首先是效率。尽管 PoE 设备同时包含电源和数据传输功能,但如果设计不正确,它们的效率可能会降低。特别是,设计人员必须优化电源电路以降低元件的阻抗,并选择最佳变压器以提高效率。
此外,大量的功率传输会产生可听见的噪声,这可能会影响设备满足现代EMI标准的能力。当不受稳压时,EMI会降低周围区域的器件性能并缩短系统的使用寿命。提供更多功率的 PoE 设备在物理上更大,这在空间受限的应用中会占用重要空间。
图5所示为典型的15W PoE PD电源电路。由于所需元件的数量众多,该电路复杂而笨重。光耦合器和TL431稳压器本身就构成了自己的电路系统,其中包含许多组件。
图 5:具有光耦合器反馈的传统 15W PD 电源电路
优化 PoE 解决方案
有六种简单的方法可以优化该电路(见图6)。
图 6:优化 PoE PD 设计
下面将更详细地介绍这些方法。
- 完全集成:对于 PoE 设备,完全集成的解决方案是保持解决方案紧凑的绝佳方式。PoE 解决方案的常见问题包括“此系统能否包括 PD 和 DC/DC 转换器?”以及“该解决方案能否包括热插拔 MOSFET 和功率 MOSFET?
这两个问题的答案都是肯定的。通过集成局部放电、转换器和 MOSFET,设计人员可以显著减小 PCB 尺寸和设计周期。集成解决方案还降低了 BOM 成本,因为简化的解决方案需要更少的外部组件 - 反馈电路:传统的反激式电路需要稳压器、光耦合器反馈网络、环路补偿和软启动电路。图8显示了不同电路的复杂性,例如传统的SSR反馈电路。随着反激式技术的发展,引入了一种主要的反馈方法(第1代PSR反馈)。这种类型的电路通常包括辅助绕组。
MP8017 PoE PD 解决方案使用一种新的反馈方法,称为第 2 代 PSR 反馈。该系统不需要辅助绕组或光耦合器(见图7)。相反,该器件对输出电压 (V外) 来自软件引脚。这种方法的好处包括:简化设计电路,因为变压器不需要辅助绕组降低变压器成本可绕在同一磁芯上的附加功率绕组,以降低阻抗并提高效率。
图 7:反馈解决方案比较
使用这种先进的反馈方法简化了电路并减少了BOM。
- 变压器设计:对于大多数设计,变压器是电路中物理上最大和最昂贵的组件。传统上,EP13变压器用于12W应用。然而,通过优化反馈电路并消除对辅助绕组的需求,设计人员可以实现高开关频率(f西 南部) 以减少变压器的匝数。这意味着EP7转换器可以取代EP13,EP7占用的空间不到三分之一(见图8)。
图 8: EP13 变压器与 EP7 变压器
- 输出电容:传统的PoE器件的典型频率约为250kHz,需要电解电容来降低输出纹波。如果 f西 南部增加时,可以减少输出电容器的数量。例如,当 f西 南部为 650kHz,12W 应用只需要两个 0805 尺寸的陶瓷电容器。此外,通过利用连续导通模式(CCM)控制,变压器的次级侧峰值电流更小。较小的峰值电流进一步降低了由输出电容的ESR和布局板的电阻引起的输出纹波。图9比较了CCM和不连续导通模式(DCM)下的次级电流
图 9:DCM 和 CCM 中变压器次级侧的电流
- EMI 设计:所有相关设备都必须通过 EMC 标准,但优化设备的 EMI 性能可能具有挑战性。反激式解决方案通常需要一个共模(CM)电感器来提高EMI性能,尽管这种电感器可能很昂贵并且占用了重要的PCB空间。在不使用CM电感的情况下,有两种方法可以解决EMI挑战:支持扩频频率抖动,以及创建更平滑的SW波形。
在扩频频率抖动中,fsw在其标称范围内波动。MP8017 支持使用 M/D 引脚的抖动功能。其频率抖动固定在±6%,调制频率约为9kHz。图10显示了使用频率抖动如何降低噪声尖峰。
图 10:无频率抖动与频率抖动的关系
优化软件波形是改善EMI的另一种方法(见图11)。
图 11:普通软件与优化软件
使用 MP8017 采用这些方法后,EMI 性能得到极大改善,CM 电感器在不降低 EMI 性能的情况下被移除。
- 有源缓冲器:在反激式应用中,电阻电容二极管(RCD)缓冲器被广泛用作箝位电路,以降低SW的峰值电压并吸收漏感能量。但是,该电路存在两个问题:软件会产生谐振,从而对EMI性能产生负面影响。在消耗漏感能量后,系统效率降低。
有源钳位控制方法可以缓解这些问题(见图12)。这种方法使用功率MOSFET来代替传统RCD缓冲器中的电阻器和二极管。这使得MP8017等器件能够实现次级侧调节(SSR),从而提高效率。
图 12:RCD 缓冲器与主动缓冲器
通过实现上面列出的六种主要方法,与传统电路相比,最终电路可以大大简化(见图13)。
图 13:最终的电路
结论
PoE是一个创新的概念,不断上升,以满足现代技术不断增长的电力需求。尽管这些解决方案具有普遍的可靠性,但设计人员可能很难使用这些解决方案保持高效率,尽管实现一些优化方法可以帮助缓解这些问题。MP8017 证实,选择最佳变压器、缓冲器和输出电容器,以及实现频率抖动并将元件集成到单个芯片上,是在不影响性能的情况下保证高效率的有效方法。
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