高功率以太網(wǎng)供電HPOE

1、高功率以太網(wǎng)供電（HPOE）標(biāo)準(zhǔn)至今仍未確定。多數(shù)人所期望的標(biāo)準(zhǔn)是：供電電壓增至53VDC、每根線(xiàn)的可用電流達(dá)到750mA、電纜總阻抗不超過(guò)12.5歐姆。如果有人期望設(shè)計(jì)成46VDC（標(biāo)稱(chēng)48V）電壓、720mA電流、電纜阻抗為12.5歐姆，那或許將是最差的情形。因?yàn)樵?20mA時(shí)，電纜會(huì)產(chǎn)生9VDC的壓降，剩下可用于工作的電壓為37VDC這樣電纜末端的輸出功率約26.6W,緊隨其后的典型功率電路只能產(chǎn)生略高于20W的功率。不幸地是針對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這仍不是充足的功率。一個(gè)解決辦法是使用多個(gè)以太網(wǎng)線(xiàn)，但這會(huì)出現(xiàn)功率分配問(wèn)題。下面的例子為該問(wèn)題作了解答。傳統(tǒng)的HPOE接口由一個(gè)極性保護(hù)橋式整流器

2、和一個(gè)帶有以太網(wǎng)供電接口的熱插拔部件組成。在HPOE妾口之后是一個(gè)能提供穩(wěn)定輸出的隔離轉(zhuǎn)換器。最好的情況是這些輸出不依賴(lài)于負(fù)載，而且它們均具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)。那些在當(dāng)時(shí)看來(lái)做出過(guò)貢獻(xiàn)的典型設(shè)計(jì)采用了隔離式反饋來(lái)產(chǎn)生電壓（典型值為5.0VDC）,該電壓然后轉(zhuǎn)換成所需的其它電壓值。通常，多個(gè)輸出試圖共用一個(gè)反饋環(huán)路，但如果這樣的話(huà)穩(wěn)壓將更多地依賴(lài)于負(fù)載。無(wú)論是哪種情況，橋式整流器和轉(zhuǎn)換器的損耗將帶來(lái)十分糟糕的效率。而且，隔離反饋環(huán)路也將產(chǎn)生十分糟糕的瞬態(tài)響應(yīng)。令人遺憾的是，就HPO睞說(shuō)，其整體要點(diǎn)是要在不犧牲性能的前提下從盡可能少的以太網(wǎng)網(wǎng)線(xiàn)上獲取更多的有用功率。示例介紹了HPOE接口和功率轉(zhuǎn)換器

3、，我們可以從二者獲取百分之幾的額外效率，并提供卓越的瞬態(tài)響應(yīng)。圖1給出了一個(gè)47W輸出雙以太網(wǎng)線(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)中的兩種HPOE接口之一。兩個(gè)N-溝道和兩個(gè)P-溝道MOSFETs構(gòu)成每個(gè)具有最低損耗的橋式整流器。每個(gè)MOSFET由一個(gè)來(lái)自相反極性輸入線(xiàn)的150K電阻偏置成導(dǎo)通（ON）狀態(tài)。柵極受低電流齊納二極管（測(cè)試電流等于50uA）保護(hù)。只有具有正確極性的兩個(gè)MOSFETs才會(huì)導(dǎo)通。MOSFETs的漏-源二極管作為橋式整流器直到150K電阻能夠?qū)OSFETs的柵極充電。集成的HPOE接口有助于簡(jiǎn)化電路，并提供所有必需的接口和熱插拔功能。圖1:HPOEg口/熱插拔。圖2:直流-直流轉(zhuǎn)換器。圖2是兩個(gè)直

4、流-直流轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)。有源鉗位前向轉(zhuǎn)換器可提供非常高的效率，并能消除隔離式反饋的需求。LM5020有源鉗位控制器具有控制最大工作系數(shù)的功能。在電容（C4）上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)斜坡，進(jìn)而控制工作系數(shù)。如果C4通過(guò)一個(gè)電阻（R2）與輸入電壓相連，則工作系數(shù)與輸入電壓成反比例關(guān)系，并產(chǎn)生一個(gè)近乎恒定的輸出電壓。幸運(yùn)地是，無(wú)需反饋且能提供卓越穩(wěn)壓性能的1%精度電容在今天僅需幾美分。由于除去了這些器件，因此設(shè)計(jì)不再會(huì)有各種電流檢測(cè)或限制引起的任何損耗。前向轉(zhuǎn)換器之前的熱插拔部件中的電流限制以及輸出端的后穩(wěn)壓器中的電流限制可提供充分的保護(hù)，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。通過(guò)模仿穩(wěn)壓次級(jí)側(cè)整流器/電感電路來(lái)提供一個(gè)具有良好穩(wěn)壓特性

5、的Vcc。LM5025控制器所需電流僅約10mA,因此需要很大值的電感來(lái)防止峰值充電，因?yàn)檎髌鞑⒉煌?。但由于電流非常小，因此可用一個(gè)直流阻抗（DCR）約32歐姆且封裝很小的電感。從高輸入電壓供電的線(xiàn)性穩(wěn)壓器具備這個(gè)功能，但功率損失相當(dāng)大，而成本卻相當(dāng)。雖然變壓器是標(biāo)準(zhǔn)的3.3VDC電壓輸出單元，但前饋穩(wěn)壓卻設(shè)置為3.75VDC。當(dāng)串聯(lián)連線(xiàn)時(shí)可提供標(biāo)稱(chēng)7.5VDC的電壓，這可為降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)良好的中間總線(xiàn)電壓。由于最小電壓比變壓器的額定值高出約12%,因而我們可以很容易的將輸出也設(shè)置得高一些。對(duì)于給定功率的情形，這樣做可降低工作電流，并且在變壓器的主次級(jí)中節(jié)省約25%的銅線(xiàn)損

6、耗。同步整流器MOSFE穰求選擇最佳的RDS（on）對(duì)柵極電荷值。MOSFE將通是通過(guò)R15和R16兩電阻緩慢完成的，由于D3和D4（不能使用信號(hào)二極管）的原因關(guān)斷卻是很快的。這有助于同步整流器在最佳時(shí)刻實(shí)現(xiàn)切換。在C18和C12所示的一側(cè)只需要使用一個(gè)緩沖器。要密切留意所有電感的DCR值。輸出端用到的電感L3的DCR值僅為4.2毫歐，但是僅其DCR的功率損耗就占到整個(gè)系統(tǒng)功率損耗的0.4%。有相當(dāng)多的電感能夠滿(mǎn)足電流要求，它們的DCR值是12到16毫歐。整個(gè)設(shè)計(jì)中僅有兩類(lèi)電感能夠攜帶超過(guò)幾毫安的電流，第一類(lèi)是剛才所討論的3.0uH電感；另一類(lèi)是4.7uH電感，該電感總是攜帶小于2A電流，其額

7、定DCR值為9.5毫歐。不要因?yàn)闆](méi)有核對(duì)這些參數(shù)而失去了整個(gè)或更多的效率。上述這些參數(shù)對(duì)電解電容是同樣有效的。由于鋁聚合電容具有極小的等效串聯(lián)阻抗（ESR）,因此建議采用該類(lèi)型電容。為了提供固有的功率分配，需要將兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出端串聯(lián)起來(lái)，圖3就是這種配置。測(cè)試用的設(shè)計(jì)僅提供5.0VDC和12.0VDC兩個(gè)輸出電壓值，但另外的輸出電壓可以很容易的添加上去。如果每個(gè)后級(jí)穩(wěn)壓器的效率是一樣高的話(huà)，則整體效率將會(huì)保持在相同的水平，而與輸出電壓的總數(shù)目無(wú)關(guān)。DCTODCCONUERTER13.4TO務(wù)1UDCintermediateBUST朱Cis心GNDLH5%2BfiSEDBOOSTCCNUERT

8、EQ12UDC,L舶LH25115BASED9UCKCCNUERTERDCTODCCONUERTER2TO4,1U0CADDniONLCOMUERTEQS中國(guó)舒磨呼卜舞www,chinawe,rft圖3:轉(zhuǎn)換器輸出端串聯(lián)配置。圖4是可提供5.0VDC電壓、7A電流的同步降壓轉(zhuǎn)換器。在該輸出范圍內(nèi)，這是一種典型的降壓轉(zhuǎn)換器。所使用的MOSFETs具有和有源鉗位同步整流器類(lèi)似的要求，因此使用相同的MOSFET通過(guò)電感周?chē)腄CR檢測(cè)電路提供電流檢測(cè)。電流檢測(cè)電阻只會(huì)造成能量的浪費(fèi)，并且成本也是相當(dāng)昂貴。幾auoe>*刈13VCKflCSULATWVnt.i次rUKKLVCX.topSL*41

9、LrmilS卬3M珞MWweFAgjitH40*白3CH序if，公L0/TY1XUHCM"6曠皿生穌居珅潮wwwrchrrrawe.Ret圖4:同步降壓轉(zhuǎn)換器。DCR電流檢測(cè)受制于繞線(xiàn)電感中銅線(xiàn)的溫度系數(shù)。R49和RT1提供溫度補(bǔ)償，RT1應(yīng)盡可能靠近電感的輸出端放置，而PCB版圖的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量將熱敏電阻和電感線(xiàn)圈保持在相同的溫度。在有源鉗位級(jí)電路中也使用相同的電感。由于穩(wěn)定的Vcc可通過(guò)R41來(lái)決定系統(tǒng)工作頻率，因此為保持Vcc的穩(wěn)定，需要從12V穩(wěn)壓器引入偏置電壓。內(nèi)部穩(wěn)壓器很容易在7.5V或以下電壓工作，然后二極管與來(lái)自5V輸出的小型電壓倍增器進(jìn)行并聯(lián)。偏置電壓Vbias應(yīng)是8.

10、0V到15.0VDC。圖5是一個(gè)可提供12.0VDC電壓、1A電流的非同步升壓轉(zhuǎn)換器。它是一個(gè)很普通的設(shè)計(jì)，但有一點(diǎn)值得一提。如果將升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端短路，則它不能阻止短路作用到輸入電壓，因?yàn)闆](méi)有在線(xiàn)開(kāi)關(guān)阻止它。如圖所示，有時(shí)用一個(gè)可快速起作用的保險(xiǎn)絲阻止任何意外的發(fā)生倒是個(gè)挺不錯(cuò)的主意。,人uFQ302.J?rL7mmuHC3SC»aLi£悔1£dT1M3目中國(guó)科重P1戶(hù)懈www.chin日?qǐng)D5:非同步升壓轉(zhuǎn)換器。最終結(jié)果不僅提供優(yōu)良的性能和性?xún)r(jià)比，而且能提供任意數(shù)量的不同輸出電壓。經(jīng)測(cè)試，圖示的設(shè)計(jì)在37VDC電壓輸入下的效率為87.6%;在低線(xiàn)路輸入條件下，該設(shè)計(jì)可提供約個(gè)串聯(lián)轉(zhuǎn)換級(jí)電路，實(shí)際功率級(jí)電路提供的效率正好在47W的穩(wěn)壓輸出。這個(gè)87.6%是從以太網(wǎng)連接器到穩(wěn)壓輸出端。不管是否使用了兩90%以下。由于缺少隔離式反饋，因此也可輕松的定制該設(shè)計(jì)，而不必?fù)?dān)心隔離反饋環(huán)路的穩(wěn)定性補(bǔ)償問(wèn)題。降壓和升壓后端穩(wěn)壓器的補(bǔ)償通常很容易實(shí)現(xiàn)。該特例采用了一個(gè)7.5V的中間總線(xiàn)。在某些情況下可能更適合使用較低的總線(xiàn)電壓；在本例中，為了實(shí)現(xiàn)最佳效率，輸出端的串行連接將迫