可提供13W到70W功率的PoE+電路設(shè)計(jì)指南

以太網(wǎng)供電(PoE+)應(yīng)用目前遵循IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3af，它即將在今年的第二季度被802.3at(PoE+)所替代，新的PoE+標(biāo)準(zhǔn)將可為用電設(shè)備(PD)提供大約2倍的功率。本文提出一個(gè)簡(jiǎn)單的工作在PoE+功率級(jí)(30W)的PD電路，它借助了一個(gè)外部MOSFET和一個(gè)針對(duì)舊版802.3af標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的控制器。討論內(nèi)容覆蓋了尚未正式公布的新的802at標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PD的要求，以及將現(xiàn)有的802.3af控制器(MAX5941B)擴(kuò)展用于PoE+ PD的好處。本文還包含了對(duì)3.3V輸出、30W用電設(shè)備的一些測(cè)試結(jié)果，如效率、輸出紋波、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和輸入浪涌電流的限制。

迅速增長(zhǎng)的PoE應(yīng)用現(xiàn)在要求高出目前802.3af標(biāo)準(zhǔn)(12.95W)支持的功率級(jí)別。為了滿足這一要求，IEEE于2005年9月開始于制定一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)(802.3at)，它將通過以太網(wǎng)電纜提供的功率擴(kuò)大到至少30W。不過，在等待802.3at標(biāo)準(zhǔn)被正式批準(zhǔn)的同時(shí)，業(yè)界需要“準(zhǔn)PoE+”電路來滿足當(dāng)前應(yīng)用的實(shí)際需求。

因此，本文提出了一個(gè)基于上面提及的PoE控制器(MAX5941B)的準(zhǔn)PoE+ PD電源電路，如圖1所示。它能夠滿足許多PoE+應(yīng)用對(duì)更高功率的要求，并保持了與802.3af標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容性。通過簡(jiǎn)單地增加一個(gè)外部MOSFET，你可以將PD接口的功率從802.3af標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)別增加到802.3at PD的最大功率(70W)以上。下面將討論P(yáng)oE+的要求、MAX5941B的性能特點(diǎn)以及如何為PD提供一個(gè)3.3V輸出的30W電源。

圖1：基于MAX5941B的準(zhǔn)PoE+ PD電源電路可在3.3V輸出電壓下提供30W功率。

PoE+的要求

IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)建議的一些目標(biāo)如下：

1. 802.3at應(yīng)當(dāng)遵循802.3af標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)的電源安全性規(guī)則和限制。

2. 802.3at PSE必須后向兼容802.3af，它應(yīng)當(dāng)能夠?yàn)?02.3af和802.3at PD供電。

3. 802.3at PSE能夠?yàn)镻D提供實(shí)際允許的最大功率(最少30W)。

4. 當(dāng)連接到一個(gè)早期的802.3af PSE時(shí)，802.3at PD能夠向用戶指出需要一個(gè)802.3at PSE。

802.3at PD必須能夠被802.3at PSE識(shí)別出來、檢測(cè)出來和供電，還應(yīng)當(dāng)能為其下游負(fù)載提供足夠的功率。為了適應(yīng)新的802.3at功率要求，目前的PD控制器面臨以下問題和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：

1. Class 4 PD分級(jí)。

2. 這些控制器的內(nèi)部PD接口隔離開關(guān)不能處理高出設(shè)計(jì)最大值12.95W的功率級(jí)別。

3. 許多目前PD控制器設(shè)定的電流限制低于802.3at要求的功率級(jí)別。

幸運(yùn)的是，MAX5941B控制器只需對(duì)外部元件做很少的改動(dòng)就能夠?yàn)?ldquo;準(zhǔn)PoE+ ”PD提供高達(dá)70W的功率。為了滿足PoE系統(tǒng)中的PD供電需求，它集成了一個(gè)完整的帶PD接口的802.3af電源IC，和適用于隔離或非隔離電源設(shè)計(jì)中的反激或正激轉(zhuǎn)換器的緊湊DC/DC PWM控制器。

MAX5941B控制器可滿足以下PoE+要求:

1. Class4 PD分級(jí)：該控制器已經(jīng)包含了針對(duì)Class4 PD分級(jí)的規(guī)定，你僅需要改變外部分級(jí)設(shè)置電阻值。

2. PD接口隔離開關(guān)的額定功率：所有現(xiàn)有的PD控制器都包含一個(gè)MOSFET，它用于在檢測(cè)和分級(jí)的啟動(dòng)協(xié)議期間隔離PD。由于這個(gè)MOSFET設(shè)計(jì)針對(duì)802.3af規(guī)定的功率級(jí)(高達(dá)12.95W)，因此低于802.3at應(yīng)用的功率等級(jí)。

MAX5941B內(nèi)部的MOSFET柵極輸入連接到引腳7，因此你可以簡(jiǎn)單地通過在該引腳上連接一個(gè)外部MOSFET來提高PD接口開關(guān)的額定功率。新的額定功率可以從12.95W擴(kuò)展到70W或以上，具體取決于你選擇的外部MOSFET的尺寸。外部MOSFET的導(dǎo)通電阻必須保證流經(jīng)內(nèi)部開關(guān)的電流在其安全工作范圍內(nèi)。

3. 改變電流限制：很多現(xiàn)有的PD控制器提供兩個(gè)限流級(jí)別。第一級(jí)設(shè)置為低于400mA，用于限制上電時(shí)PD的輸入浪涌電流;第二級(jí)設(shè)置為高于400mA。不僅802.3af標(biāo)準(zhǔn)不需要第二級(jí)限流，而且PoE+應(yīng)用實(shí)際上也禁止使用這些PD控制器。

MAX5941B控制器允許用戶對(duì)輸入浪涌電流進(jìn)行編程，但卻不需要加入第二級(jí)限流。由于用戶可以選擇低于400mA的輸入浪涌電流限制，從而使該控制器可馬上適用于PoE+應(yīng)用。輸入浪涌過程結(jié)束后，PD馬上就可以進(jìn)行更高功率的PoE+操作，無需更換IC或外部電路。

在PoE+系統(tǒng)中，限制功率傳輸?shù)钠款i是電纜的電流承載能力。在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如TR42.7中，為了確定在不同復(fù)雜限制條件下電纜的電流承載能力，必須對(duì)PoE+電纜進(jìn)行大量的測(cè)試。目前，TR42.7推薦在45oC最大環(huán)境溫度下，5e類、6類和6A類電纜每線對(duì)能夠承載的最大電流是720mA(每根導(dǎo)線360mA)。超過45oC，受I2函數(shù)的影響，在60oC時(shí)你可將電流值降到0mA，其中I是流經(jīng)電纜的電流。因此，對(duì)于兩線對(duì)的PoE+系統(tǒng)，所允許的PD最大功率約為30W。據(jù)此，我們?yōu)闇?zhǔn)PoE+ PD設(shè)計(jì)了一個(gè)30W的供電電路。

PD接口

30W PD供電電路的原理圖如圖2所示。N10是增加的外部MOSFET，用于增強(qiáng)PD接口隔離開關(guān)，以達(dá)到PoE+的功率等級(jí)。R8(178Ω)是用來設(shè)置Class4功率等級(jí)的RCL。這個(gè)30W的PD能夠從準(zhǔn)802.3at PSE接收功率。兩對(duì)UTP線纜連接到Fast-Jack連接器J1，它集成了10/100BASE-TX VoIP磁性模塊。兩個(gè)二極管橋功率整流器(D4，D5)用于分離PSE送出的-48V直流電源。

圖2：30W PD供電電路的原理圖。

隔離開關(guān)(由MAX5941B內(nèi)部功率MOSFET和外部MOSFET N10組成)限制啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流。MAX5941B通過一個(gè)典型10μA的恒流源給MOSFET的柵極充電。MOSFET漏極至柵極之間的電容通過限制漏極電壓的上升速度限制輸入浪涌電流。可以通過在柵極和輸出之間外加一個(gè)電容進(jìn)一步減小輸入浪涌電流。以下公式用于計(jì)算輸入浪涌電流：

IINRUSH=IG×COUT/CGATE

PoE+應(yīng)用的輸入浪涌電流限制在400mA以內(nèi)。圖3波形(從圖2電路中測(cè)得)顯示當(dāng)輸入電壓大約為39V時(shí)，輸入浪涌電流低于108mA，39V是缺省的欠壓鎖定電平(UVLO)。當(dāng)負(fù)載電流為7A時(shí)，流經(jīng)隔離開關(guān)的總平均電流是680mA。

圖3：準(zhǔn)PoE+ PD輸入浪涌電流的限制。[!--empirenews.page--]

3.3V、30W DC/DC轉(zhuǎn)換器

30W PD的DC/DC轉(zhuǎn)換器如圖4所示，用于PoE的電源轉(zhuǎn)換有兩種主要架構(gòu)：反激和正激轉(zhuǎn)換器。反激轉(zhuǎn)換器需要的器件數(shù)最少、成本最低，但峰值電流較高，因此需要更大的輸出電容和/或兩級(jí)濾波器，以減小輸出電壓紋波。

圖4：30W PD的DC/DC轉(zhuǎn)換電路原理圖。

對(duì)于單輸出、大電流轉(zhuǎn)換器，推薦使用具有同步整流的單端正激變換器，這種架構(gòu)非常適合PoE應(yīng)用，具有高效、低EMI、成本低等優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)選擇了這種架構(gòu)。由于同步整流正激變換器的原理在MAX5941B*估板的數(shù)據(jù)手冊(cè)中進(jìn)行了詳細(xì)描述，這里不再贅述。

測(cè)試結(jié)果

為了*估DC/DC轉(zhuǎn)換器性能，我們進(jìn)行了大量測(cè)試，圖5給出了電源電壓為48V時(shí)測(cè)得的效率與輸出電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，這里沒有考慮兩個(gè)二極管橋整流器(D4，D5)的功耗(如果考慮這些因素，效率下降約5%)

圖5：準(zhǔn)PoE+ PD效率與輸出電流的關(guān)系。

圖4所示PD電源的輸出紋波(圖6)是在最差工作條件下測(cè)試的：57V輸入電壓、9A負(fù)載。所得結(jié)果(大約50mV)基本符合PoE+應(yīng)用的要求，例如802.11n接入點(diǎn)、大功率VoIP視頻電話以及監(jiān)控?cái)z像頭等。增加一個(gè)低ESR陶瓷電容有助于得到更低的輸出紋波，轉(zhuǎn)換器的波特圖(圖7)顯示相位裕度為45o，增益裕度為10dB，具有較好的響應(yīng)能力。

圖6：準(zhǔn)PoE+ PD的輸出紋波。

對(duì)于一些特定應(yīng)用，你只需用PD接口的前級(jí)(圖2)配合用戶已有的DC/DC轉(zhuǎn)換器工作即可。針對(duì)這種要求，你可以選擇Maxim的PD控制器系列(MAX5940B)產(chǎn)品，配合外部MOSFET和MAX15000 DC/DC控制器使用。

圖7：最大輸入電壓和輸出電流下DC/DC轉(zhuǎn)換器的波特圖。

本文小結(jié)

在IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前，本文提供的PD電路(圖2)是解決PoE+應(yīng)用供電問題的一個(gè)快速、低成本和靈活的方案。它滿足該標(biāo)準(zhǔn)的電流要求(草案0.9版)，并保持了與當(dāng)前IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容性。采用同步整流正激DC/DC轉(zhuǎn)換器可以獲得高效、低EMI以及低成本的設(shè)計(jì)。如果連接PSE和PD的電纜能夠承載足夠的電流，電路中的MAX5941B控制器能夠輕松升級(jí)PD設(shè)計(jì)，輸出功率可以達(dá)到甚至超過70W。