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功率技術/新能源  

高效能PoE返馳式電源供應系統設計

上網時間: 2007年03月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:NS  PoE  乙太網路供電  返馳  電源供應系統 

乙太網路供電(PoE)技術是一種透過標準乙太網路電纜供電及傳送資料的技術,包括網路電話、保全系統攝影機以及無線區域網路節點都能採用PoE技術供電。本文將以美國國家半導體的LM5070、LM5071及LM5072等單晶片控制器為例,介紹一種PoE返馳式轉換器(flyback converter)設計方案。該方案可為高效率乙太網路供電系統設計提供必要功能,是理想的PoE解決方案。

由於透過乙太網獲得供電的電子設備無需額外電源插座就能直接使用,且系統整體成本較低,因此PoE解決方案在市場上迅速掘起,受歡迎程度與日俱增。以網路電話為例,電話裝置在採用不斷電系統(UPS)確保供電時更穩定可靠,較不易出現突波電流(power surge)、盜電、電力中斷或完全中止等情況。同時,由於全球各地均普遍採用RJ-45插座,因此各式PoE設備都能相容。值得一提的是,採用PoE技術的電子設備不但易於管理,且具備了遠程通電/斷電能力。

不過,乙太網路集線器的供電量以及乙太網路電纜的電流傳輸量畢竟有限,為了確保兩者不會出現過載,以及統一規格標準,國際電機電子工程師學會(IEEE)特別制訂802.3af PoE技術規格,確保乙太網路供電的負載符合需求。

符合IEEE標準的PD作業模式

美國的IEEE於2003年6月通過了有關PoE產品的技術標準:IEEE802.3af,其規定確保了舊式及PoE設備均可獲得同樣安全可靠的供電能力,原有的電纜網路可繼續延用,且供電時不會造成傳送訊號衰減或出現錯誤。IEEE更規定必須採用標準的第5e類(CAT-5e)乙太網路電纜,以電纜內四對雙絞銅導線中的兩對傳送48V直流電。供電量分為4個級別,每埠最低供電量為4W,而最高供電量則為15.4W。

供電設備(PSE)可透過測量電纜阻抗的大小(Signature-detection,特徵偵測功能),確定用電設備(PD)是否已連接。如偵測出來的阻抗測量數值介於23.75k?與26.25k?之間,便可判別用電設備已連網。

若電壓超過23V,供電設備可以執行欠壓鎖定(UVLO)功能,以防特徵電阻損壞,並等待用電設備的電壓升至適當值之後,才為輸入電容器充電,將輸出電壓穩定在指定的範圍內。此外,用電設備也可將有關其用電級別的資料直接通知供電設備。

一旦欠壓鎖定解除,控制器的介面電路就會為負載電容充電。這個負載電容是專為開關模式電源供應而設的輸入電容。為了確保充電過程不會失控,主功率場效應電晶體(powerFET)的電流規定不可超過450mA的最高極限,並可另行設定電流限幅。

但由於許多新式PoE設備所需的供電量往往超過目前的規定標準,因此LM5072晶片具有特別的功能,容許晶片額外利用輔助電源提供的供電,因此其最高電流可以設定至800mA,使供電提升至25W。


圖1:利用第5類(CAT-5)電纜供電。


圖2:PoE設備的作業模式順序。

用於PoE系統的DC-DC轉換器

目前返馳式轉換器是最常被採用的PoE供電系統線路佈局方法。它不但設計簡單,成本也相當低,是價格效益比很高的解決方案。返馳式轉換器適用於隔離式的多輸出供電系統,可提供低到僅幾瓦特(W)、但最高可達20~30W的輸出功率。

雖然在低功率下操作時,返馳式轉換器通常都會採用不連續導通模式(DCM),但連續導通模式(CCM)的效率反而比較高。因為以某一輸出功率為基準作比較,初級線圈場效應電晶體的均方根(RMS)電流較小。一般採用不連續導通模式作業有兩個理由,其一是可以採用較小的變壓器;其次是將控制轉換函數的右半平面零點(right half plane zero)移到足夠高的高頻區,以便將其中的不利影響減至最小。

至於PoE供電系統的供電量及輸入電壓範圍,只要作幾個簡單的計算,便可得出以下結論:右半平面零處於足夠高的高頻區內,因此不會構成任何問題。以連續導電模式為例來說,返馳式轉換器的右半平面零的頻率下限可以利用以下公式計算出來:


在上述公式中,Vin為輸入電壓、D為初級線圈場效應電晶體的工作週期、Iin為平均輸入電流,而L則為變壓器的磁化電感。上述應用實例若採用連續導電模式作業,變壓器的磁化電感值一般均設定為100μH。若最低輸入電壓為26V、最高輸入電流為360mA,而初級線圈場效應電晶體的相關工作週期數值為0.4,若根據以上的數值運算,右半平面零無論在任何作業情況都會處於64kHz的頻率下限。對大部分PoE設備來說,這個頻率下限對回授補償器的設計只會有微不足道的影響。

由於LM5070、LM5071及LM5072等幾款控制器是高度整合積體電路,因此供電系統只需添加極少的外部元件,便能符合IEEE802.3af標準的要求。圖3是PoE供電系統的典型應用電路圖,圖中的電路採用美國國家半導體的LM5072晶片。這是一款內建100V PoE用電設備介面並可支援後備電源的PWM控制器。採用LM5072晶片的優點是用電設備在選擇供電來源方面有較大的靈活性,像是不同配置的用電設備都可利用後備電源的供電,也包括了交流電。


圖3:採用LM5072控制器的PoE供電系統的典型應用電路圖。

以採用連續模式返馳式轉換器的電路佈局為例,利用快速PWM電流模式控制器會較為理想,採此種方式不但可控制及限制輸入電流的流量,尚可穩定同一電路的輸出電壓。此外也可以調節功率電晶體的工作週期,以便控制線路及電流的暫態反應。工作週期的大小取決於輸出電壓的誤差及鋸齒波形,而兩者都取決於流入外部電流感應電阻的初級線圈電感電流。

我們可將電流感應訊號與內部參考電壓加以比較,以便為每一周期設定電流限幅。我們也可為電流斜波訊號提供內部斜率補償,以便解決工作週期超過50%時次諧波振盪所產生的內部不穩定問題。

PoE設備普遍採用返馳(flyback)連續導電模式設計方案,它不但設計簡單、成本較低,而且可達到較高的效率。

作者:Michele Sclocchi

L.H. Mweene

Frederik Dostal

電源管理產品部

美國國家半導體

參考資料

1. LM5020返馳連續模式的開關電源供應設計(美國國家半導體2006年電源供應設計課程及技術手冊,作者:Michele Sclocchi及Iain Mosley)。

2. LM5070-LM5071-LM5072產品規格書及設計參考資料。

3. “可支援PoE設備的電源供應設計”(EE Times,2005 / 美國國家半導體104期電源供應設計通訊(Power Designer)特稿,作者:H. Mweene)




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