從以太網(wǎng)供電中獲取更多的電力

引言

以太網(wǎng)供電 (PoE) 已經(jīng)成為一個(gè)很通俗的概念，并且正在諸多產(chǎn)品中得到廣泛采用，例如：網(wǎng)絡(luò)電話、安全監(jiān)控?cái)z像頭以及銷售點(diǎn)終端。以太網(wǎng)供電是通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)連接來(lái)配送電力的。在一個(gè)提供以太網(wǎng)供電的網(wǎng)絡(luò)中，電力是由電源設(shè)備 (PSE) 提供的，這種設(shè)備在以太網(wǎng)連接上產(chǎn)生一個(gè) 44V～57V 的輸出電壓。在以太網(wǎng)連接的另一端，電力被用電設(shè)備 (PD) 消耗掉。盡管正在對(duì)更高功率以太網(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，但是目前在單個(gè)以太網(wǎng)連接上用電設(shè)備的功率被限制在 13W 左右。而不幸的是，13W 左右的功率對(duì)于許多復(fù)雜的應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常是不夠的。因此，一些高功率用電設(shè)備的設(shè)計(jì)需要將多端口中的功率轉(zhuǎn)換為 48V 輸入電隔離的可用電壓?？商峁┒噍斎朐锤綦x式功率轉(zhuǎn)換的技術(shù)有若干種。

壓降

對(duì)于并聯(lián) DC/DC 電源而言，一種常用的技術(shù)被稱為壓降法。如果其輸出電壓隨著負(fù)載電流增加而下降，那么并聯(lián)電源將共享電流。這就要求在電源之間沒有通信，并且要消除潛在的單點(diǎn)故障。要實(shí)施該技術(shù)，就需要最小化額外部件的數(shù)量。如果使用了電流模式控制，那么您就可以通過(guò)簡(jiǎn)單地限制控制環(huán)路的 DC 增益來(lái)引入與負(fù)載電流成正比例關(guān)系的輸出壓降。如果需要更高的精確度，那么就可以按圖 1 所示來(lái)實(shí)施該電路。該電路利用差動(dòng)放大器 U1B 來(lái)測(cè)量輸出電流，并且將一個(gè)誤差注入到補(bǔ)償放大器 U1A 的調(diào)節(jié)環(huán)路中。要想實(shí)現(xiàn)自主電流共享只需要添加數(shù)個(gè)電阻器和一個(gè)放大器即可。

圖 1 壓降法添加了極少的幾個(gè)組件

不幸的是，壓降共享并不是十分地精確。圖 2 顯示了 1% 電阻容差、1.5% 參考容差和 10% 總壓降的最壞情況變化。該設(shè)計(jì)具有一個(gè) 5V 的額定設(shè)置值和一個(gè) ±5% 的變量壓降。最小值曲線和最大值曲線表明了其極值情況下的組件容差。如果您將這三個(gè)電源并聯(lián)，且無(wú)負(fù)載，那么最高輸出電源往往會(huì)調(diào)節(jié)輸出電壓。如圖 1 所示，如果電源使用了二極管進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么帶最低輸出電壓的電源將不會(huì)輸出任何電流。隨著負(fù)載電流的增加，輸出電壓開始下降。具有最高輸出電壓的電源將提供所有電流，直到其輸出電壓下降至 5.25V。然后，第二高輸出電壓的電源開始提供電流。運(yùn)用該假定最壞情況容差的設(shè)置值，在最低輸出電壓的電源開始發(fā)揮作用以前，第一個(gè)電源便提供了接近其輸出功率 70% 的功率。由于不穩(wěn)定性，因此其并不十分理想；然而，在一些情況下還是可以接受的。隨著負(fù)載電流的進(jìn)一步增大，第一個(gè)電源可能會(huì)達(dá)到電流極限。電流進(jìn)一步增大的問(wèn)題由其余兩個(gè)電源來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)額定功率運(yùn)行。

同步整流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電源提供或吸收輸出電流，對(duì)于此種控制方案來(lái)說(shuō)，這樣會(huì)產(chǎn)生極大的問(wèn)題。在極值情況下，一個(gè)電源可能會(huì)試圖調(diào)節(jié)至高端，而另一個(gè)電源則試圖調(diào)節(jié)至低端。當(dāng)這種情況發(fā)生在無(wú)負(fù)載條件下時(shí)，一些電源將提供電流至輸出端，而另一些電源則會(huì)將輸出端的電流吸收。這樣一來(lái)就從一個(gè)電源中獲取電力，并且在沒有為負(fù)載提供電力的情況下將其返回至第二個(gè)電源。因此，建議在零安培時(shí)關(guān)閉同步整流器。

圖 2 壓降法在最差情況下實(shí)現(xiàn)電流共享的能力相對(duì)較差

交錯(cuò)式反向轉(zhuǎn)換

交錯(cuò)法提供了另一種從多輸入端平衡獲得電力的技術(shù)。正如壓降法一樣，交錯(cuò)法使用了一個(gè)獨(dú)立的功率級(jí)，用于每一個(gè)輸入端，并且為共有輸出端提供電力。與壓降法不同的是，交錯(cuò)式功率級(jí)（也稱為相位）共享一個(gè)相同的一次側(cè)控制器。這樣不但可以降低成本，而且還容許每一個(gè)功率級(jí)與異相同步。同步可降低輸出電容器中的紋波電流，并且使輸出濾波器的體積更小。交錯(cuò)法要求所有功率輸入端共享同一個(gè)回路，這樣就可以防止此種方法被用于某些應(yīng)用中。

許多 PWM 控制器是專門為交錯(cuò)法而設(shè)計(jì)的。如果僅僅需要兩個(gè)相位，那么通過(guò)使用一個(gè)推挽式控制器來(lái)進(jìn)行交錯(cuò)就可以極大地降低成本。圖 3 顯示了一個(gè)使用諸如 UCC2808 推挽式控制器的兩相交錯(cuò)式反向電源的原理圖。該芯片將每一個(gè)相位的占空比限制在 50%，并且對(duì)兩個(gè)功率級(jí)做 180° 的異相切換。該推挽式控制器使用峰值電流模式控制，該峰值電流模式控制將兩個(gè)相位的峰值電流維持在接近的值。在一個(gè)非連續(xù)的反向電源中，每個(gè)相位的輸出功率同峰值初始電流的平方成正比例關(guān)系。因此，所獲得的電力自然地在兩個(gè)輸入端得到了平衡。這種技術(shù)使得從兩個(gè)輸入電源獲得不超過(guò) 5% 誤差的均衡的電力。主 MOSFET 上的開關(guān)延遲是電力不均衡的主要原因，并且在兩個(gè)輸入電壓不相等的情況最為糟糕。由控制器提供的峰值電流極限功能限制了從每個(gè)輸入端獲得的最大電力，同時(shí)在欠壓和故障時(shí)占空比鉗位又限制了輸入電流。

圖 3推挽式控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)交錯(cuò)式反向電源

使用二次側(cè)負(fù)載共享控制器的電力共享

在多輸入端之間共享電力的第三種方法是由一個(gè)二次側(cè)負(fù)載共享 IC 實(shí)現(xiàn)的。利用這種方法，許多帶有遠(yuǎn)程傳感功能電源的獨(dú)立電源都可以共享一個(gè)共有輸出。負(fù)載共享 IC 通常與電源模塊一同使用。圖 4 就是一個(gè)例子。使用一個(gè)分流電阻器來(lái)測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)換器提供的電流。由于容差和寄生阻抗，其中的一個(gè)電源將提供比其他電源更多的電流。這個(gè)電源就像是一個(gè)主電源，并且將設(shè)置負(fù)載共享 (LS) 總線上的電壓。從電源將這個(gè)負(fù)載共享總線電壓作為一個(gè)參考輸入，以此來(lái)控制其輸出電流。通過(guò)在從轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)程傳感導(dǎo)線上注入一個(gè)電壓來(lái)調(diào)節(jié)從電源。這樣就可以實(shí)現(xiàn)主電源對(duì)負(fù)載輸出電壓進(jìn)行控制，從而保證較好的負(fù)載調(diào)節(jié)。這種主/從方法實(shí)現(xiàn)了非常高的電流共享精確度，在滿負(fù)載情況下，電流共享精確度通常會(huì)高于 3%。

由于每一個(gè)并聯(lián)電源都要求有一個(gè)負(fù)載共享控制器和若干個(gè)外部分立組件，相對(duì)于壓降或交錯(cuò)法而言，這種方法的組件數(shù)量要稍微多一些，并且成本也要稍微高一些。此外，由于在啟動(dòng)期間、添加或移除單個(gè)電源時(shí)會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，因此不建議將負(fù)載共享控制器與同步整流器一起使用。

圖 4 UCC39002 負(fù)載共享控制器允許將多個(gè)獨(dú)立電源并聯(lián)

主/從隔離式一次側(cè)電流共享

可用于將多個(gè)電源并聯(lián)的另一種技術(shù)是檢測(cè)一個(gè)（主）電源的主電流并將其與另一個(gè)（從）電源相比較。使用光學(xué)耦合器或變流器提供了一種在保持隔離的同時(shí)，在各電源之間進(jìn)行電流信息通信的方法。由于能夠以最低的成本實(shí)現(xiàn)較高的性能，因此變流器是最佳的選擇。另外，與光學(xué)耦合器相比較而言，變流器具有較高的精確度。它們的精確度通常是由高于 2% 的匝比容差和通常為 1% 的電阻容差來(lái)設(shè)置。光學(xué)耦合器的性能取決于其電流轉(zhuǎn)換比的容差，最好情況下為 30%。

結(jié)論

表 1 對(duì)四種負(fù)載共享方法進(jìn)行了對(duì)比。壓降法是其中最簡(jiǎn)單，也是成本最低的方法之一，但其性能最低。此外，它還容許單點(diǎn)故障的發(fā)生。通常，性能最高的技術(shù)，即負(fù)載共享控制器，也是最為昂貴的解決方案。使用交錯(cuò)式一次控制器或光學(xué)耦合器/變流器技術(shù)提供了一個(gè)成本和性能的折衷方案。另外一些因素，例如：同步整流器的使用、以太網(wǎng)供電輸入端的數(shù)量以及以太網(wǎng)供電輸入端是否必須被相互隔離等等，在選擇一種方法以前都需要加以考慮。若您在應(yīng)用中使用合適的技術(shù)將會(huì)確保您可以從以太網(wǎng)供電中獲得最大的電力。