用于以太網(wǎng)供電的直流/直流轉換器

　　本文提供了一個低成本、高效率的（87%）隔離直流/直流變換器的設計和試驗結果，該變換器可在用于以太網(wǎng)供電（PoE）應用的受電端設備（PDs）中使用，符合IEEE標準802.3af。

　　IEEE標準802.3af 在2003年6月被批準，它定義了在現(xiàn)有的標準以太網(wǎng)線上進行低功率（15.4W）[低電壓（-48Vdc）]分配的規(guī)范和協(xié)議。未來幾年內(nèi)，PoE有望成為所有高端交換機和路由器的標準組成。例如，到2007年時，諸如IP電話(VoIP)和無限局域網(wǎng)的應用有望增長到一千八百萬個單位（來源：iSuppli）。此外，PoE還可以消除在邊遠地區(qū)安裝交流適配器和交流插座的必要。
　　供電端設備（PSE）是提供電源的設備，而受電端設備（PD）是位于網(wǎng)線另一端能夠接受電源的網(wǎng)絡輔助設備。 這些受電端設備可以是網(wǎng)絡攝像頭，IP電話機，無限局域網(wǎng)接入點以及其他裝置。下面我們來探討 變換器的設計。

　　為什么用逆向變換器？

　　逆向變換拓撲一直是設計者用于低功率（50W以下）隔離變換器的傳統(tǒng)選擇。它僅僅需要一個磁性元件和一個輸出整流器，所以它有簡單和低成本的優(yōu)勢。盡管如此，還是可以獲得很高的效率。

　　用于受電端設備的變換器的基本規(guī)格為：輸入電壓在36V~57V之間，5V輸出電壓和最大2.2A輸出電流。

　　設計困難

　　低功率變換器是很難獲得高效率的，因為偏置和控制電路功率損耗相對于輸出電壓而言較高，在低負荷運行期間有較大的影響。在我們的示例中，該問題看得更清楚，因為符合PoE的接口電路中的偏置功率損耗有所增加。仔細配置，選擇變壓器和開關型金屬氧化物半導體場效應晶體管（Mosfet），可以極大地降低功率損耗。此外，低負荷下的開關頻率降頻技術可以用于節(jié)約電能。

　　符合IEEE標準802.3.af的接口

　　當一個受電端設備插入一個PoE系統(tǒng)時，會依次出現(xiàn)三個不同的階段；它們是檢測、分類和供電接通，它們還應符合一定的時序關系。

　　PSE接受PD的檢測標準是發(fā)現(xiàn)有效的信號電阻。使用的信號電阻為24KΩ，它位于PD檢測范圍之內(nèi)。為了節(jié)省功率損耗，當輸入電壓高于 30V 時我們將該電阻斷開，這樣可以節(jié)省大約 85mW 的功率。

　　分類 ：0類(缺省的最大功率類)，不需要向 PSE 提供任何額外信息，因此電路簡單。

　　供電接通電路：PSE 最低供電電壓為 44V，但是為了解決以太網(wǎng)電纜、連接器、傳輸線變壓器和整流器中的損耗問題，PD 電源應能夠在最低電壓 36V 時工作。該電路在檢測/分類階段將 PD 與 PSE 隔離開。實際上，這是一種欠壓鎖閉機制，當輸入電壓高于 30V 時，將打開Mosfet Q₁。

　　偏置電路、PWM啟動和軟啟動功能

　　電源最終從 PSE 釋放后，由R₂₁ 和Q₅構成的調節(jié)器向控制電路供給初始輸入電壓，電流為 PWM IC 去耦電容器充電，直到達到其UVLO電平，然后PWM啟動開關操作。

　　一旦它啟動開關操作，通過輔助繞組形成的電壓將降低Mosfet Q₅的 Vgs電壓，直到其關閉。這將停止電流流經(jīng)泄漏電阻器，從而節(jié)省了一定的功率損耗。當引腳V_CC上的電壓一達到V_CC（啟動）電平11V，IC PWM控制器就會激活變換器。為了防止變壓器在切換期間出現(xiàn)紊亂，變壓器峰值電流將通過軟啟動功能來緩慢提升。

　　變壓器設計

　　逆向變換器中的變壓器大概是該設計中最關鍵的部分。要做的第一個決定是允許的最大工作占空比（本例中小于 50%），它將給定所需的變壓比。其次，我們選擇變壓器磁感應系數(shù)，以實現(xiàn)在中高負荷情況下能夠連續(xù)輸送。作為那些設計參數(shù)的結果，我們得到初級側和次級側的電流組合，它們將給出最佳工作點或"有效點"，使損耗最低。

　　電源設計者都知道漏電感對額外的功率損耗和Mosfet漏極電壓尖脈沖在開關時的增加有多大作用。因此，漏電感應最小化在本例中用來減少漏電感的技術是將初級繞組交錯分成兩半。

　　廣泛應用的 EFD20（經(jīng)濟扁平設計）芯型為電源的微型化提供了巨大幫助。如需更多信息，參見"Magnetics Design" Philips Semiconductor Applications. 1995。變壓器的最終規(guī)格包括了一個EFD20/AL250鐵氧體磁芯，和繞組Np=26，N_P1=18以及Ns=8。為了優(yōu)化設計，有必要定制一個元件。在當前設計中，Pulse公司提供了定制部件。

　　PWM控制器

　　控制部分包括 飛利浦 TEA1506 PWM 控制器 IC 和反饋補償電路。

　　GreenChipTM II是第二代綠色開關模式電源 (SMPS) 控制 IC。高集成度可以使外部元件數(shù)減少，使電源成本更低。之所以選擇該 PWM 控制器 IC，是基于其低成本和簡單易用。由于是用在隔離變換器中，因此該 I C 不需要內(nèi)含誤差信號放大器。

　　這種專門的內(nèi)置綠色功能可以在所有功率水平使效率達到最優(yōu)。當 IC 配置為工作于連續(xù)輸送模式時，控制器將工作在固定頻率模式 (175kHz) 的高中功率水平。在低負荷條件期間，隨著功率水平下降，控制器將轉為不連續(xù)模式，由放大器的設計、實際輸入電壓和電流檢測電阻決定交叉點。隨著輸出功率減小，開關頻率會降低。

　　由于其良好的線路調整行為，電流控制模式被采用。通過與初級電流信息進行比較，內(nèi)部轉換控制電壓調節(jié)導通時間。初級電流通過外部電阻檢測。

　　過流保護（OCP）：每周期峰值漏極電流限制電路在前導消隱時間之后激活，該消隱時間提供了電流檢測噪聲免疫功能。

　　過熱保護（OTP）：IC將進入重復的安全重啟模式。

　　開關MOSFET

　　為了獲得最高的效率和易于驅動，顯而易見的解決方案是從 PWM IC 的輸出引腳直接驅動一個 N 溝道Mosfet，因為這樣不需要使用外部驅動器。Mosfet的選擇應基于開關損耗和傳導損耗之間的折衷來確定，以使總損耗達到最小。本例中使用的200V Mosfet為SO8封裝的飛利浦 PHK4NQ20T。該200V Mosfet提供了大于80%的電壓降額因子來提高可靠性。由于在關閉時僅有相當小的電壓尖脈沖和阻尼震蕩，沒有必要使用緩沖器，從而只有很少的浪費，并且電路設計得到簡化。

　　構建參考設計

　　按照圖2構建了一個參考設計演示板，除了輸入/輸出引腳和測試點之外，全部采用表面安裝元件。它用標準的兩層1oz銅箔厚度的FR4 PCB制造。所有的功率元件在板的上層；下層包含大多數(shù)控制電路。

　　測得的效率

　　從圖3可以注意到，由于采用降頻和脈沖跳過技術，在低負荷特別是無負荷時獲得了很高的效率。結果優(yōu)于前面的估算；差異大部分來自對Mosfet損耗的保守估計。變換器在更低和更高輸入電壓情況下獲得了相似的效率。

　　結論

　　通過仔細挑選元件，可以為PoE供電設備構建一個不但具有簡單和成本低的優(yōu)勢，同時還具有體積小和效率高等優(yōu)點的直流/直流變換器。