以太網(wǎng)供電技術(shù)特征及應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

　　1、以太網(wǎng)供電基本技術(shù)特征分折

　　以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)是一種能通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜提供供電及傳送數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過以太網(wǎng)獲得供電的設(shè)備例如網(wǎng)絡(luò)電話、保安系統(tǒng)攝錄機和無線局域網(wǎng)節(jié)點都可采用PoE技術(shù)。

　　由于通過以太網(wǎng)獲得供電的電子設(shè)備無需依靠交流電，而且系統(tǒng)的整體成本也較低，因此PoE解決方案很快便大受市場歡迎。以網(wǎng)絡(luò)電話為例，采用不中斷電源供應(yīng)(UPS)技術(shù)可以保證供電更穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)浪涌電流、盜電、電力中斷等情況。此外，世界各地都普遍采用RJ-45連接器，因此各地的PoE設(shè)備可以兼容。采用PoE技術(shù)的電子設(shè)備不但具有管理上的靈活，而且還具備遠程通、斷電能力。但以太網(wǎng)集線器的供電量以及以太網(wǎng)電纜的電流傳輸量畢竟有限。為確保兩者不出現(xiàn)過載，國際電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)特別為需要通過以太網(wǎng)獲得供電的負載制定802.3afPoE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保有關(guān)負載的電氣特性符合標(biāo)準(zhǔn)。

　　PoE是從中央交換機向以太網(wǎng)連接的設(shè)備(VolP電話、WLAN發(fā)送器、安全攝像機)供電的方式。使用現(xiàn)有的CAT5電纜就無需交流供電(并省去配線開支)。中央交換機還能夠控制用電設(shè)備的功率分配，可為重要系統(tǒng)提供復(fù)雜的不間斷的電源管理。

　　以太網(wǎng)供電工作三個基本功能：一個PoE負載或用電設(shè)備(PD)必須具備三個基本功能才可以與供電端的供電設(shè)備(PSE)連接。這三個功能分別是發(fā)現(xiàn)、分級及欠壓鎖定。

　　1.1發(fā)現(xiàn)階段-受電設(shè)備的檢測：

　　當(dāng)一個激活PoE的以太網(wǎng)電纜插入PD后，即當(dāng)受電設(shè)備(PD)被接入以太網(wǎng)鏈路時，PSE必須檢測每個以太網(wǎng)設(shè)備是否需要電源？供電設(shè)備(PSE)會向PD發(fā)出詢問信號判斷PD的PoE是否被激活，因而PD必須表現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備的特性，這一階段被稱為發(fā)現(xiàn)階段。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD要求開始于一個25kΩ和小于120nF的特征識別，正是這一特征使PSE通過測量其“檢測特征”-共模終端來檢測需要供電的設(shè)備，將PD從不需要供電的其它以太網(wǎng)設(shè)備中區(qū)分出來。PD只需要具有這些檢測特征，同時其鏈路處于檢測模式，則即可實現(xiàn)檢測。也就是說，供電設(shè)備(PSE)可以利用特征檢測功能，測量電纜阻抗的大小，以確定用電設(shè)備(PD)是否已連接。供電設(shè)備可以根據(jù)其內(nèi)部設(shè)定作出判斷，若阻抗的測量值介于23.75kΩ～26.25kΩ，便可斷定已連接用電設(shè)備。

　　PSE對PD檢測的具體方法有二。其一、為實現(xiàn)這種檢測，PSE通過測量兩個V-I(電壓-電流) 點和從它們之間的斜率來計算電阻以判斷端口的共模終端來檢測需要供電的設(shè)備.就是利用2.7V至10.1V的限流電壓探測信號線。表1列出檢測狀態(tài)下PSE對要被檢測為有效的PD必須具備的參數(shù)條件。表1參數(shù)之所以允許1.9V的串聯(lián)電壓偏移是因為通常采用二極管橋來控制電壓極性。每個PD會用到兩個這樣的二極管全橋(見圖1所示，為用MAX5935 PSE控制器和MAX5940 PD接口/控制器的PoE供電系統(tǒng)簡化設(shè)計方框圖)，因為PD必須向后兼容于中間PSE。而10μA的電流偏移是因為PD內(nèi)部通常具有一定的泄漏。另外，通過表2給出了另外一系列參數(shù)條件，任何滿足這些條件的檢測都將判定以太網(wǎng)設(shè)備為一個無效的PD。

　　但由于許多新一代PoE設(shè)備所需的供電量往往超過目前的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因此如LM5072芯片設(shè)有特別的功能，容許芯片利用輔助電源提供的供電，而且最高電流可以設(shè)定為800mA，使供電可高達25W。

　　其二、需要指出的是，在發(fā)現(xiàn)階段，PSE向PD釋放電壓斜波并尋找負載(25 kΩ)產(chǎn)生的一個特性阻抗。如果并未檢測到正確的阻抗，PSE假定負載的PoE并未激活并會關(guān)斷PoE的發(fā)送端。之后，系統(tǒng)將按照標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接方式工作。如果檢測到了阻抗信號，PSE將進入分級階段。信號識別電壓是一個2.5 V至l0 V之間的斜波電壓。一個24.9 kΩ的電阻即能為發(fā)現(xiàn)階段提供正確的信號阻抗，見圖 2(a)所示。

　　1.2 分級階段：

　　PSE繼續(xù)向PD施加斜波電壓。

　　在15 V至20 V范圍內(nèi)，分級階段發(fā)生了。在電壓轉(zhuǎn)換期間，PD必須吸收一個特定的電流以確定器件的級別(見圖2(b)所示)。24.9 kΩ的識別電阻同樣可以進行最簡單的級別分級(CIass 0)。分級電流描述了PD在正常操作下所需要的功率大小。PSE則將這一信息輸送給控制器，使系統(tǒng)能夠確定PD所需的總功率。下表1顯示了分級電流及PD工作時對功率的要求。

　　1.3 開啟階段：

　　分級階段后，當(dāng)欠壓鎖定(UVLO)線路被釋放及PD可以被供電后，PSE繼續(xù)抬高斜波電壓，最高到30V。此時需要軟啟動電路來控制由PSE吸取的電流。圖2(c)顯示了一個典型的欠壓鎖定電路。

　　通過這個過程，PSE與PD共同決定了負載的特性并且僅會向具備PoE功能的設(shè)備供電。在中央的系統(tǒng)控制器能夠決定負載要求并且在UPS預(yù)算供電失敗的情況下根據(jù)實際需要合理分配功率。

　　2、通過以太網(wǎng)供電成本的節(jié)省應(yīng)用舉例

　　用DPA-Switch 芯片與分立設(shè)計成28-57VDC，通過以太網(wǎng)供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器。下面先對DPA-Switch 芯片性能及優(yōu)勢作介紹。

　　2.1 DPA-Switch'性能及優(yōu)勢

　　DPA-Switch'在一個CMOS芯片上集成了高頻功率MOSFET、PWM控制器、故障保護及其它控制電路，有效地節(jié)約了成本。其性能包括短路及開環(huán)保護、可編程的限流點、輸入電壓欠／過壓保護、遲滯熱關(guān)斷、軟啟動、反饋補償及遙控開／關(guān)機。與傳統(tǒng)的分立設(shè)計相比，DPA-Switch芯片可節(jié)省20多個外圍元件，極大地節(jié)省了電路板空間及成本。

　　DPA-Switch特點：寬輸入電壓范圍為16 VDC到75 VDC并支持反激及正激式拓撲；省去了所有外圍電流檢測電路；用于輸出過載／開環(huán)保護的自動重啟動；電壓模式控制器可實現(xiàn)75％的占空比而無需斜波補償，并提供5-10 kHz的環(huán)路帶寬；具有輸入電壓欠壓(UV)檢測并達到ETSI標(biāo)準(zhǔn)與輸入電壓過壓(OV)關(guān)斷保護及低成本同步整流器，線電壓欠／過壓關(guān)斷保護限制了變壓器輸出的門極驅(qū)動電壓范圍；完全集成的軟啟動達到最小的器件應(yīng)力／過沖；外部可編程的限流點可實現(xiàn)高效率低成本設(shè)計及功率控制；隨輸入電壓的變化可編程的最大占空比以保證在正激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的磁芯復(fù)位。

　　綠色節(jié)能：空載(10 mA typ)及遙控關(guān)機時(2 mAmax)極低的能耗與輕載時跳頻操作可以實現(xiàn)待機時的高效節(jié)能。其封裝S、P及G均有無鉛封裝形式(100％磨砂錫)，符合Rolls規(guī)定及達到JEDEC的J-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)。

　　典型應(yīng)用：可在PoE用電設(shè)備，如VolP電話、WLAN及WAP發(fā)送器、安全攝像機、條行碼掃描儀、警報系統(tǒng)及煙霧探測器等設(shè)備上應(yīng)用；又可在電信中央辦公設(shè)備如xDSL、ISDN、PABX等與分布式供電架構(gòu)(24／48 V公交車等)及工業(yè)控制(24／48 V) 等設(shè)備上應(yīng)用。

　　2.2 28-57VDC，通過以太網(wǎng)供電的輸出功率15W的多路輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計組成

　　圖3為用DPA424P DPA-Switch 芯片與其它分立元器件組成的多路輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計圖?，F(xiàn)對各組成作分析。

　　組成1-簡化的PoE接口電路：由包括發(fā)現(xiàn)識別阻抗的電路 (24.9 kW由2.5 VDC至10 VDC)與包括CIass 0級別分類的電路(C1ass 1，2及3的方案也包括在內(nèi))及低成本的雙極性晶體管導(dǎo)通開關(guān)(至少87％的效率)合成。

　　組成2（a）-集成的電流檢測線路及電流限流點：具有嚴(yán)格的經(jīng)過溫度補償?shù)墓钆c無電流檢測電阻(更高效率)；高功率設(shè)計也無需電流傳感器，可使用X引腳電阻進行限流編程，最多減少六個元器件，可節(jié)省達0.25美元?；蛴媒M成2(b)如果采用集成的啟動線路，則更高效(不會有“自舉電路”的損耗)，最多減少4個元器件， 可節(jié)省達0.05美元。

　　組成3-集成的線電壓檢測線路：能準(zhǔn)確的溫度穩(wěn)定性并提供欠壓／過壓保護，最多減少