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如何優(yōu)化以太網(wǎng)供電 (PoE) PD 設計

發(fā)布時間:2022-12-23 來源:MPS 責任編輯:wenwei

【導讀】本文將綜合描述 PoE PD 的設計,討論系統(tǒng)設計人員面臨的挑戰(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 的設計,并進行驗證。


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 終端設備,無需更改現(xiàn)有的以太網(wǎng)標準電纜連接。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 設備因此成為機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 的設計,討論系統(tǒng)設計人員面臨的挑戰(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 的設計,并進行驗證。


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)了標準化,其目標是確保更廣泛連接的受電設備 (PD) 和供電設備 (PSE) 之間的互操作性。首個標準 IEEE 802.3af 于 2003 年獲得批準。該標準規(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)線對進行傳輸。最新的 PoE 標準為 IEEE802.3bt (90W),它涵蓋了 5G 小型蜂窩、顯示單元和 AP 路由器等更多應用。圖 1 所示為 IEEE PoE 標準的發(fā)展時間線,最早從 1999 年≤10W 的標準開始。 


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圖 1:PoE 標準演進史


PoE功率分級


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


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


最新的標準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輸入電壓、輸入功率和輸出電壓進行了總結。 


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圖 2:PoE 功率分級


PoE工作原理


網(wǎng)絡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,則表明為一個標準 PoE 設備。

2. 功率分級: PSE發(fā)送一個電壓并獲得電流反饋,以確認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之間的整體通信結構。 


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圖 3:PSE 和 PD 通信的硬件結構


PSE 與 PD 握手時,電壓電平的變化情況如圖 4 所示。 


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圖 4:握手期間輸入電壓的變化情況


PoE 解決方案的設計挑戰(zhàn)


PoE 設備面臨的首個設計挑戰(zhàn)就是效率。盡管 PoE 設備綜合了電源與數(shù)據(jù)的傳輸,但如果設計不當,效率會比較低。因此,設計人員必須優(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生可聞噪聲,從而影響設備滿足現(xiàn)代 EMI 標準的能力。如果不加以規(guī)范,EMI 會導致周邊設備性能降級并縮短系統(tǒng)的生命周期。功率高的 PoE 設備體積也更大,對空間受限的應用而言,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。


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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)。 


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圖6: 優(yōu)化PoE PD設計


下面將詳細描述這些方法。


1. 全集成: 對 PoE 設備而言,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,設計人員可以顯著減小 PCB 尺寸并縮短設計周期。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、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雜性,例如傳統(tǒng)的 SSR 反饋電路。隨著反激技術的發(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。

 

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圖7: 反饋解決方案的組成


這種先進的反饋方法簡化了電路并減小了BOM。


3. 變壓器設計: 在大多數(shù)設計中,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,設計人員就可以實現(xiàn)高開關頻率 (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)。


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圖8: EP13 變壓器vs. EP7 變壓器


4. 輸出電容: 傳統(tǒng)PoE設備的典型頻率約為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 fSW 為 650kHz 時,一個 12W 的應用只需要兩個 0805 陶瓷電容器。此外,采用連續(xù)導通模式 (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)導通模式 (DCM) 下的副邊電流進行了比較。


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圖9: DCM 和CCM模式下的變壓器副邊電流比較


5. EMI 設計: 所有的相關設備都必須通過 EMC 標準,但優(yōu)化設備的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:支持擴頻頻率抖動;創(chuàng)建更平滑的 SW 波形。當頻率抖動時, fSW 在其標稱范圍內波動。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,調制頻率約為9kHz。圖 10 展示出頻率抖動對噪聲尖峰的降低作用。


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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)。 


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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 會產生諧振,這會對 EMI 性能產生負面影響;

   ○ 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)了副邊調節(jié) (SSR),從而提高了效率。


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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)。


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圖13: 優(yōu)化后的電路


結語


PoE 是一個創(chuàng)新的概念,它不斷改善以滿足現(xiàn)代技術持續(xù)增長的電力需求。盡管它具備一定的可靠性,但設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



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