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日期:2022-09-24
本文概述了 PoE PD 设计,包括实现这些系统的设计人员面临的挑战,并介绍了如何使用集成的 PoE PD 和反激式电源转换器优化设计;
以太网供电 (PoE) 解决方案使以太网电缆能够传输直流电源,数据信息同时并行传输到 IP 终端设备 , 所有这些都无需更改以太网标准设置的现有电线连接。在一根电缆中传输电力和数据简化了安装,提高了可靠性,并通过消除对电源和以太网线的需求来降低成本,这使得PoE设备成为机房和办公室以及旧建筑物的热门选择,在这些建筑物中安装新电源线可能不方便。
本文将概述 PoE PD 设计,讨论设计人员在实现这些系统时面临的挑战,并介绍如何使用 MP8017(集成 PoE PD 和反激式电源转换器)优化 PoE PD 设计,以验证建议。
1999年,IEEE和以太网联盟致力于标准化PoE,目标是确保更广泛的连接用电设备(PD)和供电设备(PSE)之间的互操作性。这些标准中的第一个,IEEE 802.3af,于2003年获得批准。该标准规定,电源必须能够由备用对或数据对在单根电缆内承载。今天的PoE标准是IEEE802.3bt(90W),它涵盖了其他应用,如5G小型蜂窝,显示单元和AP路由器。图 1 显示了 IEEE PoE 标准的时间表,从 1999 年的 ≤10W 标准开始。
图 1:PoE 标准演进历史
PoE 设备根据其所需的功率分配一个类(类 0 到 8,总共 9 个类)。802.3af标准涵盖0至3类,电压范围在37V至57V之间,输出功率高达15.4。建议将这些设备用于传感器和简单的相机。
802.3at标准(也称为PoE +)引入了4类,在相同的电压范围内将输出功率提高到30W,尽管这些设备仅与PoE + PSE兼容。这些器件可用于复杂的相机、LCD 显示器和平板电脑。
最后,802.3bt标准(也称为PoE ++)引入了5类到8类,输出功率在45W和90W之间。这些设备可以支持建筑物中的笔记本电脑、电视和电气系统。图2总结了这些功率等级及其相关的输入电压、输入功率和输出电压。
图 2: PoE 功率分类
网络电缆由成对绞合的电线组成,数据对能够发送信息,未使用的电线称为备用对。当 PD 和 PSE 成功通信时,称为握手。当 PSE 与 PD 握手时,它遵循下面列出的主要步骤:
图 3 显示了整体通信结构。
图 3:PSE 和 PD 通信硬件结构
图4显示了PSE和PD之间发生手抖时电压电平的变化。
图4:握手时输入电压变化
PoE设备面临着一些挑战,首先是效率。尽管 PoE 设备同时包含电源和数据传输功能,但如果设计不正确,它们的效率可能会降低。特别是,设计人员必须优化电源电路以降低元件的阻抗,并选择最佳变压器以提高效率。
此外,大量的功率传输会产生可听见的噪声,这可能会影响设备满足现代EMI标准的能力。当不受稳压时,EMI会降低周围区域的器件性能并缩短系统的使用寿命。提供更多功率的 PoE 设备在物理上更大,这在空间受限的应用中会占用重要空间。
图5所示为典型的15W PoE PD电源电路。由于所需元件的数量众多,该电路复杂而笨重。光耦合器和TL431稳压器本身就构成了自己的电路系统,其中包含许多组件。
图 5:具有光耦合器反馈的传统 15W PD 电源电路
有六种简单的方法可以优化该电路(见图6)。
图 6:优化 PoE PD 设计
下面将更详细地介绍这些方法。
图 7:反馈解决方案比较
使用这种先进的反馈方法简化了电路并减少了BOM。
图 8: EP13 变压器与 EP7 变压器
图 9:DCM 和 CCM 中变压器次级侧的电流
图 10:无频率抖动与频率抖动的关系
优化软件波形是改善EMI的另一种方法(见图11)。
图 11:普通软件与优化软件
使用 MP8017 采用这些方法后,EMI 性能得到极大改善,CM 电感器在不降低 EMI 性能的情况下被移除。
有源钳位控制方法可以缓解这些问题(见图12)。这种方法使用功率MOSFET来代替传统RCD缓冲器中的电阻器和二极管。这使得MP8017等器件能够实现次级侧调节(SSR),从而提高效率。
图 12:RCD 缓冲器与主动缓冲器
通过实现上面列出的六种主要方法,与传统电路相比,最终电路可以大大简化(见图13)。
图 13:最终的电路
PoE是一个创新的概念,不断上升,以满足现代技术不断增长的电力需求。尽管这些解决方案具有普遍的可靠性,但设计人员可能很难使用这些解决方案保持高效率,尽管实现一些优化方法可以帮助缓解这些问题。MP8017 证实,选择最佳变压器、缓冲器和输出电容器,以及实现频率抖动并将元件集成到单个芯片上,是在不影响性能的情况下保证高效率的有效方法。