如何優(yōu)化以太網(wǎng)供電 (PoE) PD 設(shè)計

本文將綜合描述 PoE PD 的設(shè)計，討論系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)，還將介紹如何利用 MP8017 （集成型 PoE PD 和反激式電源變換器）優(yōu)化 PoE PD 的設(shè)計，并進(jìn)行驗證。

什么是以太網(wǎng)供電 (PoE)？

以太網(wǎng)供電 (PoE) 解決方案可以在以太網(wǎng)電纜傳輸直流電源的同時將數(shù)據(jù)并行傳輸至IP 終端設(shè)備，無需更改現(xiàn)有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電纜連接。在一根電纜上同時傳輸電力和數(shù)據(jù)不僅簡化了安裝、提高了可靠性，還通過減少線纜降低了成本。PoE 設(shè)備因此成為機(jī)房和辦公室的常見選擇，也是不便新裝電源線的舊建筑物的理想選擇。

本文將綜合描述 PoE PD 的設(shè)計，討論系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)，還將介紹如何利用 MP8017 （集成型 PoE PD 和反激式電源變換器）優(yōu)化 PoE PD 的設(shè)計，并進(jìn)行驗證。

PoE的演變 1999 年，在IEEE 和以太網(wǎng)聯(lián)盟的努力之下，PoE實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，其目標(biāo)是確保更廣泛連接的受電設(shè)備 (PD) 和供電設(shè)備 (PSE) 之間的互操作性。首個標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3af 于 2003 年獲得批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電源必須能夠通過單根電纜中的備用線對或數(shù)據(jù)線對進(jìn)行傳輸。最新的 PoE 標(biāo)準(zhǔn)為 IEEE802.3bt (90W)，它涵蓋了 5G 小型蜂窩、顯示單元和 AP 路由器等更多應(yīng)用。圖 1 所示為 IEEE PoE 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展時間線，最早從 1999 年≤10W 的標(biāo)準(zhǔn)開始。 

圖 1：PoE 標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)史

PoE功率分級

根據(jù)所需的功率，PoE 設(shè)備被分為不同的級別（Class 0 至Class 8，共9個級別）。802.3af 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了 Class 0 到 Class 3，電壓范圍在 37V 和 57V 之間，輸出功率達(dá) 15.4W。這類設(shè)備被推薦用于傳感器和簡單攝像頭。

802.3at 標(biāo)準(zhǔn)（也稱為 PoE+）引入了 Class 4等級，在同等電壓范圍內(nèi)將輸出功率提高到了30W，但僅兼容 PoE+ PSE。這類設(shè)備可用于復(fù)雜攝像頭、LCD 顯示器和平板電腦。

最新的標(biāo)準(zhǔn)802.3bt （也稱為 PoE++）則引入了 Class 5 到 Class 8等級，輸出功率在 45W 到 90W 之間。這類設(shè)備可以支持筆記本電腦、電視和建筑物中的電氣系統(tǒng)。圖 2 對這些功率等級及其相關(guān)輸入電壓、輸入功率和輸出電壓進(jìn)行了總結(jié)。 

圖 2：PoE 功率分級

PoE工作原理

網(wǎng)絡(luò)電纜由成對的雙絞線組成，其中包括能夠發(fā)送信息的數(shù)據(jù)線對和稱為備用線對的未使用線對。PD 和 PSE 成功通信的過程被稱為握手。握手的過程包括以下主要步驟：

1. PD 檢查: PSE向PD電阻（24.9kΩ）發(fā)送一個測試電壓（<10.1V）；若阻抗值匹配，則表明為一個標(biāo)準(zhǔn) PoE 設(shè)備。

2. 功率分級: PSE發(fā)送一個電壓并獲得電流反饋，以確認(rèn)PD的功率等級（從Class 1到Class 8）。

3. 供電: PSE的輸入電源提升至54V左右。

4. 穩(wěn)定電源和監(jiān)控器: 電源穩(wěn)定在54V左右，同時根據(jù)分級結(jié)果限制最大功率。

5. 斷連: 如果PD斷開，則PSE停止供電。

圖 3 顯示了PSE 和 PD之間的整體通信結(jié)構(gòu)。 

圖 3：PSE 和 PD 通信的硬件結(jié)構(gòu)

PSE 與 PD 握手時，電壓電平的變化情況如圖 4 所示。 

圖 4：握手期間輸入電壓的變化情況

PoE 解決方案的設(shè)計挑戰(zhàn)

PoE 設(shè)備面臨的首個設(shè)計挑戰(zhàn)就是效率。盡管 PoE 設(shè)備綜合了電源與數(shù)據(jù)的傳輸，但如果設(shè)計不當(dāng)，效率會比較低。因此，設(shè)計人員必須優(yōu)化電源電路以降低元件阻抗，并選擇最佳變壓器以提高效率。

另外，大量的功率傳輸會產(chǎn)生可聞噪聲，從而影響設(shè)備滿足現(xiàn)代 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的能力。如果不加以規(guī)范，EMI 會導(dǎo)致周邊設(shè)備性能降級并縮短系統(tǒng)的生命周期。功率高的 PoE 設(shè)備體積也更大，對空間受限的應(yīng)用而言，可能會占據(jù)寶貴的空間。

圖 5 顯示了一個典型的 15W PoE PD 電源電路。由于所需元件數(shù)量較多，電路復(fù)雜且龐大。光耦合器和 TL431 穩(wěn)壓器單獨組成其電路系統(tǒng)，其中也包含眾多元件。

圖 5：帶光耦反饋的傳統(tǒng) 15W PD 電源電路

優(yōu)化 PoE 解決方案

有六種簡單的方法可以優(yōu)化傳統(tǒng)電路（見圖 6）。 

圖6: 優(yōu)化PoE PD設(shè)計

下面將詳細(xì)描述這些方法。

1. 全集成: 對 PoE 設(shè)備而言，全集成解決方案是實現(xiàn)緊湊方案的絕佳方法。我們常對PoE 解決方案提出這樣的疑問：系統(tǒng)能否包含 PD 和 DC/DC 變換器？方案能否包括熱插拔 MOSFET 和功率 MOSFET？

這兩個疑問的答案都是肯定的。通過集成 PD、變換器和 MOSFET，設(shè)計人員可以顯著減小 PCB 尺寸并縮短設(shè)計周期。集成解決方案還可以降低BOM 成本，因為簡化的解決方案需要的外部元件也更少。

2. 反饋電路: 傳統(tǒng)反激電路需要穩(wěn)壓器、光耦反饋網(wǎng)絡(luò)、環(huán)路補償和軟啟動電路。通過圖 8我們可以看出這些電路的復(fù)雜性，例如傳統(tǒng)的 SSR 反饋電路。隨著反激技術(shù)的發(fā)展，后來出現(xiàn)了原邊反饋法（第一代 PSR 反饋）；但這種類型的電路通常包含輔助繞組。 

The MP8017 PoE PD 解決方案采用了一種新的反饋方法，稱為第二代PSR 反饋。該系統(tǒng)不需要輔助繞組或光耦合器（見圖 7），它利用 SW 引腳對輸出電壓 (VOUT)進(jìn)行采樣。這種方法具備的優(yōu)勢如下所述：

   ○ 變壓器不需要輔助繞組，從而簡化了設(shè)計電路；

   ○ 變壓器成本降低；

   ○ 額外的電源繞組可以纏繞在同一磁芯上，以降低阻抗并提高效率。

圖7: 反饋解決方案的組成

這種先進(jìn)的反饋方法簡化了電路并減小了BOM。

3. 變壓器設(shè)計: 在大多數(shù)設(shè)計中，變壓器都是電路中物理體積最大且最昂貴的組件。傳統(tǒng)上， 12W 應(yīng)用采用EP13 變壓器。但如果優(yōu)化反饋電路并消除對輔助繞組的需求，設(shè)計人員就可以實現(xiàn)高開關(guān)頻率 (fSW)，從而減少變壓器的匝數(shù)。這意味著可以用EP7 變壓器替代 EP13，將占用空間縮小至不到三分之一（見圖 8）。

圖8: EP13 變壓器vs. EP7 變壓器

4. 輸出電容: 傳統(tǒng)PoE設(shè)備的典型頻率約為250kHz，需要電解電容來降低輸出紋波。提高 fSW 可以減少輸出電容的數(shù)量。例如，當(dāng) fSW 為 650kHz 時，一個 12W 的應(yīng)用只需要兩個 0805 陶瓷電容器。此外，采用連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 控制，變壓器的副邊峰值電流也更小。較小的峰值電流可進(jìn)一步降低由輸出電容ESR 和電路板電阻引起的輸出紋波。圖 9 對CCM 和非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下的副邊電流進(jìn)行了比較。

圖9: DCM 和CCM模式下的變壓器副邊電流比較

5. EMI 設(shè)計: 所有的相關(guān)設(shè)備都必須通過 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，但優(yōu)化設(shè)備的EMI性能并非易事。 反激式解決方案通常需要一個共模 (CM) 電感來提高 EMI 性能，但這種電感價格高昂并且需要占用寶貴的 PCB 空間。有兩種方法可以在無需使用 CM 電感的情況下解決 EMI 問題：支持?jǐn)U頻頻率抖動；創(chuàng)建更平滑的 SW 波形。當(dāng)頻率抖動時， fSW 在其標(biāo)稱范圍內(nèi)波動。MP8017 通過M/D 引腳支持頻率抖動功能。其頻率抖動固定在±6%的幅度內(nèi)，調(diào)制頻率約為9kHz。圖 10 展示出頻率抖動對噪聲尖峰的降低作用。

圖10: 無頻率抖動 vs. 頻率抖動

優(yōu)化 SW 波形是改善 EMI 的另一種方法（參見圖 11）。 

圖11: 普通波形 vs. 優(yōu)化波形

MP8017 采用上述方法讓EMI 性能得到了極大的改善，并在不降低 EMI 性能的情況下避免了采用 CM 電感。

6. 有源緩沖器: 在反激應(yīng)用中，電阻電容二極管（RCD）緩沖器被廣泛用作鉗位電路，以降低SW的峰值電壓并吸收漏感能量。 但這種電路存在兩個問題：

   ○ SW 會產(chǎn)生諧振，這會對 EMI 性能產(chǎn)生負(fù)面影響；

   ○ 漏感能量消耗會降低系統(tǒng)效率。

有源鉗位控制方法可以緩解這些問題（參見圖 12）。這種方法采用功率 MOSFET 來代替?zhèn)鹘y(tǒng) RCD 緩沖器中的電阻和二極管。MP8017 等器件利用它實現(xiàn)了副邊調(diào)節(jié) (SSR)，從而提高了效率。

圖12: RCD緩沖器 vs. 有源緩沖器

通過上述的六種方法，與傳統(tǒng)電路相比，最終電路將得到極大的簡化（參見圖 13）。

圖13: 優(yōu)化后的電路

結(jié)語

PoE 是一個創(chuàng)新的概念，它不斷改善以滿足現(xiàn)代技術(shù)持續(xù)增長的電力需求。盡管它具備一定的可靠性，但設(shè)計人員仍然很難保持解決方案的高效率，不過，我們可以通過一些優(yōu)化方法來緩解這些問題。 MP8017 選用了最佳變壓器、緩沖器和輸出電容； 它同時具備頻率抖動功能，并將組件集成到單個芯片上；在不影響性能的情況下保證了解決方案的高效率。

來源：MPS

作者：Vince Wen