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)絡電話、安全監(jiān)控攝像頭以及銷售點終端。以太網(wǎng)供電是通過一個以太網(wǎng)連接來配送電力的。在一個提供以太網(wǎng)供電的網(wǎng)絡中，電力是由電源設備 (PSE) 提供的，這種設備在以太網(wǎng)連接上產(chǎn)生一個 44V～57V 的輸出電壓。在以太網(wǎng)連接的另一端，電力被用電設備 (PD) 消耗掉。盡管正在對更高功率以太網(wǎng)供電標準進行定義，但是目前在單個以太網(wǎng)連接上用電設備的功率被限制在 13W 左右。而不幸的是，13W 左右的功率對于許多復雜的應用來說通常是不夠的。因此，一些高功率用電設備的設計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)換的技術有若干種。

壓降

對于并聯(lián) DC/DC 電源而言，一種常用的技術被稱為壓降法。如果其輸出電壓隨著負載電流增加而下降，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故障。要實施該技術，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，那么您就可以通過簡單地限制控制環(huán)路的 DC 增益來引入與負載電流成正比例關系的輸出壓降。如果需要更高的精確度，那么就可以按圖 1 所示來實施該電路。該電路利用差動放大器 U1B 來測量輸出電流，并且將一個誤差注入到補償放大器 U1A 的調(diào)節(jié)環(huán)路中。要想實現(xiàn)自主電流共享只需要添加數(shù)個電阻器和一個放大器即可。

圖 1 壓降法添加了極少的幾個組件

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。該設計具有一個 5V 的額定設置值和一個 ±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。如果您將這三個電源并聯(lián)，且無負載，那么最高輸出電源往往會調(diào)節(jié)輸出電壓。如圖 1 所示，如果電源使用了二極管進行調(diào)節(jié)，那么帶最低輸出電壓的電源將不會輸出任何電流。隨著負載電流的增加，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。運用該假定最壞情況容差的設置值，在最低輸出電壓的電源開始發(fā)揮作用以前，第一個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。隨著負載電流的進一步增大，第一個電源可能會達到電流極限。電流進一步增大的問題由其余兩個電源來完成，從而實現(xiàn)額定功率運行。

同步整流電源拓撲結(jié)構允許電源提供或吸收輸出電流，對于此種控制方案來說，這樣會產(chǎn)生極大的問題。在極值情況下，一個電源可能會試圖調(diào)節(jié)至高端，而另一個電源則試圖調(diào)節(jié)至低端。當這種情況發(fā)生在無負載條件下時，一些電源將提供電流至輸出端，而另一些電源則會將輸出端的電流吸收。這樣一來就從一個電源中獲取電力，并且在沒有為負載提供電力的情況下將其返回至第二個電源。因此，建議在零安培時關閉同步整流器。

圖 2 壓降法在最差情況下實現(xiàn)電流共享的能力相對較差

交錯式反向轉(zhuǎn)換

交錯法提供了另一種從多輸入端平衡獲得電力的技術。正如壓降法一樣，交錯法使用了一個獨立的功率級，用于每一個輸入端，并且為共有輸出端提供電力。與壓降法不同的是，交錯式功率級（也稱為相位）共享一個相同的一次側(cè)控制器。這樣不但可以降低成本，而且還容許每一個功率級與異相同步。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。交錯法要求所有功率輸入端共享同一個回路，這樣就可以防止此種方法被用于某些應用中。

許多 PWM 控制器是專門為交錯法而設計的。如果僅僅需要兩個相位，那么通過使用一個推挽式控制器來進行交錯就可以極大地降低成本。圖 3 顯示了一個使用諸如 UCC2808 推挽式控制器的兩相交錯式反向電源的原理圖。該芯片將每一個相位的占空比限制在 50%，并且對兩個功率級做 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相位的峰值電流維持在接近的值。在一個非連續(xù)的反向電源中，每個相位的輸出功率同峰值初始電流的平方成正比例關系。因此，所獲得的電力自然地在兩個輸入端得到了平衡。這種技術使得從兩個輸入電源獲得不超過 5% 誤差的均衡的電力。主 MOSFET 上的開關延遲是電力不均衡的主要原因，并且在兩個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輸入端獲得的最大電力，同時在欠壓和故障時占空比鉗位又限制了輸入電流。

圖 3推挽式控制器驅(qū)動一個交錯式反向電源

使用二次側(cè)負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二次側(cè)負載共享 IC 實現(xiàn)的。利用這種方法，許多帶有遠程傳感功能電源的獨立電源都可以共享一個共有輸出。負載共享 IC 通常與電源模塊一同使用。圖 4 就是一個例子。使用一個分流電阻器來測量每個轉(zhuǎn)換器提供的電流。由于容差和寄生阻抗，其中的一個電源將提供比其他電源更多的電流。這個電源就像是一個主電源，并且將設置負載共享 (LS) 總線上的電壓。從電源將這個負載共享總線電壓作為一個參考輸入，以此來控制其輸出電流。通過在從轉(zhuǎn)換器的遠程傳感導線上注入一個電壓來調(diào)節(jié)從電源。這樣就可以實現(xiàn)主電源對負載輸出電壓進行控制，從而保證較好的負載調(diào)節(jié)。這種主/從方法實現(xiàn)了非常高的電流共享精確度，在滿負載情況下，電流共享精確度通常會高于 3%。

由于每一個并聯(lián)電源都要求有一個負載共享控制器和若干個外部分立組件，相對于壓降或交錯法而言，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，由于在啟動期間、添加或移除單個電源時會導致一些問題，因此不建議將負載共享控制器與同步整流器一起使用。

圖 4 UCC39002 負載共享控制器允許將多個獨立電源并聯(lián)

主/從隔離式一次側(cè)電流共享

可用于將多個電源并聯(lián)的另一種技術是檢測一個（主）電源的主電流并將其與另一個（從）電源相比較。使用光學耦合器或變流器提供了一種在保持隔離的同時，在各電源之間進行電流信息通信的方法。由于能夠以最低的成本實現(xiàn)較高的性能，因此變流器是最佳的選擇。另外，與光學耦合器相比較而言，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% 的電阻容差來設置。光學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 對四種負載共享方法進行了對比。壓降法是其中最簡單，也是成本最低的方法之一，但其性能最低。此外，它還容許單點故障的發(fā)生。通常，性能最高的技術，即負載共享控制器，也是最為昂貴的解決方案。使用交錯式一次控制器或光學耦合器/變流器技術提供了一個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。若您在應用中使用合適的技術將會確保您可以從以太網(wǎng)供電中獲得最大的電力。