一種適合VoIP電話應用的低成本 PoE 接口

一家領先的網(wǎng)絡管理解決方案供應商曾希望為其新一代 IP 語音 (VoIP) 產(chǎn)品尋求簡單的功率轉換級方案。為此，Power Integrations (PI) 開發(fā)出一種適用于電話上的以太網(wǎng)供電 (PoE) 分立接口電路，以幫助 OEM 廠商滿足其設計和成本目標。

如今，支持 PoE 功能的集線器、路由器和交換機正逐漸成為標準設備。因此，眾多的 OEM 在設計其無線接入點設備、VoIP 電話和閉路安保攝像頭時，都采用通過連接到通信網(wǎng)絡的 CAT-5 電纜進行供電的方案。

用電設備 (PD) 中的 DC-DC 功率轉換級必須將其功率要求傳輸給供電設備 (PSE)，以便 PSE 能通過電纜向其供電(如圖 1 所示)。功率轉換器需要降低和調節(jié)電纜電壓，并能適應在 CAT-5 以太網(wǎng)上傳輸電源造成的顯著線路壓降。在高功率負載情況下，壓降尤為明顯。這就為設計帶來了一些問題。

圖1 PoE供電原理

簡單、低成本且可靠的受電設備電源解決方案

為使 PoE 接口和功率轉換級在支持 2 級和 3 級受電設備的同時滿足客戶的 BOM 成本目標，PI 推出采用 DPA-Switch系列高集成度功率轉換 IC 的 DC-DC 轉換器設計，從而提供了高可靠性的解決方案。采用 DPA-Switch 可有效簡化設計流程，結合分立接口電路設計所帶來的成本降低，可使 OEM 在滿足其成本目標的同時，符合在功能、可靠性和穩(wěn)定性等方面的要求。此外，該方案還減少了使用的元件數(shù)目，這不但可以降低總體成本，而且能提高平均故障間隔時間 (MTBF) 和 DC-DC 轉換級的可靠性。

一種靈活的低成本解決方案

該方案僅采用少數(shù)分立元件，即可實現(xiàn)滿足 IEEE 802.3af 標準要求的用電設備/供電設備接口。此外，它還非常靈活，只需更改單個電阻值，用電設備就能將自己分類為 0 類、1 類、2 類或 3 類設備。

DPA-Switch 系列 IC 在單個 CMOS 芯片上集成了高頻功率 MOSFET、PWM 控制器和眾多的保護功能。這既可簡化設計流程，又能減少 DC-DC 轉換級的元件數(shù)目。DPA-Switch 系列的各個 IC 分別為不同尺寸的 MOSFET，因此輸出功率可通過更改使用的 IC 進行調整。 

考慮到 VoIP 應用的具體情況，PI 選擇采用 DPA423P 器件來設計 DC-DC 轉換級。由于 VoIP 電話只需要單路 3.3 V 電壓輸出和最大為 2 A 的電流，因此轉換器采用反激式設計(如圖 2 所示)以節(jié)省成本。初始情況下，VR31 和 VR32 會抑制分級和 PWM 電路，直到成功完成簽名階段。在識別簽名后，提供給受電設備的電壓將升高，直到齊納二極管 VR31 開始導通。然后，打開一個恒流源，以提供分級電流信號，該信號將由供電設備進行讀取。級別由 R34 的電阻值決定。在成功確定用電設備類別后，電壓將再次升高并通過 VR32 打開 Q35，從而使功率轉換級開始工作。恒流分級電路將通過 R35 停用，以降低功耗。 

圖2 基于DPA423P的反激式DC-DC轉換器設計

輸入大容量電容(C1 和 C2)被分成兩部分，并形成一個簡單的 π 型濾波器，以抑制差模EMI 干擾。電阻 R4 和 R6 降低 MOSFET 的內部電流限制，并使其最大負載周期與輸入電壓成比例變化，從而獲得可靠的最大(輸出)功率限制。這種方式簡化了轉換器的設計，同時還可采用較低電壓和電流 (30 V, 4 A) 的肖特基二極管作為輸出整流器。電阻 R5 激活 U1 的輸入欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓關斷功能，而電阻 R21、R22、R23 和 Q20 則強化了欠壓鎖定功能的滯后效應，以適應 IEEE802.3af 以太網(wǎng)電源應用中的高電壓降情況。 

當輸出電壓超出規(guī)定值時，DPA-Switch 的自動重啟功能可將供電設備的輸出功率限制至滿負載時的 4％ 左右，而不必依靠斷開 IC 的 VDD 電源來進行保護。從而為供電設備和負載設備提供了充分的保護。

結語

為實現(xiàn)真正的通用性，PoE用電設備解決方案必須符合 IEEE 802.3af 標準。PI 提出的用電設備簡化設計已經(jīng)過 IEEE 802.3af 標準的權威機構--英國新罕布什爾大學互操作性協(xié)會 (UNH-IOC) 的檢驗，并且檢驗結果表明：該設計不僅符合 IEEE 802.3af 標準，而且能夠應用于目前的所有供電設備。有關 UNH-IOC 檢驗報告副本以及經(jīng)證實可與 PI 解決方案配合使用的供電設備列表，可從網(wǎng)站 www.powerint.com/PoE上獲取。

該方案能充分滿足客戶對接口電路的設計簡單性、可靠性、穩(wěn)定性以及權威認證和成本效益等方面的要求；同時，DPA-Switch 系列集成電路還具有多功能性和伸縮性，從而允許客戶快速簡便地將該方案應用于其它用電設備當中。