兼容于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備電源設(shè)計

摘要：介紹了MAXIM公司推出的以太網(wǎng)供電（POE）系統(tǒng)中的受電設(shè)備（PD）電源設(shè)計方案，該方案符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。可廣泛用于ＩＰ電話、無線接入點和因特網(wǎng)設(shè)備等。

    關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)供電（POE）；電源供電設(shè)備（PSE）；受電設(shè)備（PD）；IEEE 802.3af

ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標(biāo)準(zhǔn)對以太網(wǎng)供電（ＰＯＥ）做出了詳盡的規(guī)定，它允許通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的同時提供４８Ｖ電源，ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標(biāo)準(zhǔn)中定義的電源供電設(shè)備（ＰＳＥ）是能夠通過１０ＢＡＳＥ－Ｔ、１００ＢＡＳＥ－Ｔ或者１０００ＢＡＳＥ－Ｔ網(wǎng)絡(luò)提供電源的ＤＴＥ或者Ｍｉｄｓｐａｎ設(shè)備，而ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標(biāo)準(zhǔn)中定義的受電設(shè)備（ＰＤ）則是通過網(wǎng)絡(luò)從電源供電設(shè)備（ＰＳＥ）取得電源的設(shè)備。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的ＰＳＥ可以提供約１３Ｗ功率。從而使小型數(shù)據(jù)設(shè)備可以通過它們的以太網(wǎng)連接獲得電源，而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源。這些設(shè)備包括數(shù)字ＶｏＩＰ電話、網(wǎng)絡(luò)無線接入點、因特網(wǎng)設(shè)備、計算機電話、安全攝像機或任何以太網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)設(shè)備。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標(biāo)準(zhǔn)的推出，大大擴展了以太網(wǎng)的應(yīng)用，同時也給以太網(wǎng)帶來了巨大的發(fā)展空間。

１　ＭＡＸ５９４１的功能

ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ是一款高度集成的電源ＩＣ，適用于以太網(wǎng)供電（ＰＯＥ）系統(tǒng)中的受電設(shè)備（ＰＤ）。ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ有兩個功能，一是提供ＰＳＥ與ＰＤ之間的接口，二是通過ＤＣ－ＤＣ ＰＷＭ控制器實現(xiàn)４８Ｖ電源轉(zhuǎn)換以輸出５Ｖ或者ＰＤ所需要的電壓，輸出電壓可實現(xiàn)隔離或者非隔離。ＭＡＸ５９４１Ａ的最大占空比為８５％，可用于反激式轉(zhuǎn)換器。ＭＡＸ５９４１Ｂ的占空比限制在５０％以內(nèi)，主要用于單端正激式轉(zhuǎn)換器中。

２ ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標(biāo)準(zhǔn)的ＰＤ接口特性

ＭＡＸ５９４１的ＰＤ接口特性符合ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標(biāo)準(zhǔn)，可為ＰＤ提供偵測特征信號和分級信號，此外，ＭＡＸ５９４１還集成了一個具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開關(guān)，同時還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（ＵＶＬＯ）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。

在偵測和分級期間，由于集成的ＭＯＳＦＥＴ可提供ＰＤ隔離，ＭＡＸ５９４１可保證偵測階段的泄漏電流失調(diào)小于１０μＡ。其可編程限流功能可防止上電期間產(chǎn)生很高的浪涌電流。這些器件的ＵＶＬＯ供電模式具有寬滯回和長故障消隱時間等特性，因而可補償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統(tǒng)在偵測、分級和上／掉電諸狀態(tài)間無擾動地轉(zhuǎn)換。ＭＡＸ５９４１的ＵＶＬＯ門限可調(diào)，并具有一個兼容于ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標(biāo)準(zhǔn)的缺省值。ＭＡＸ５９４１可工作于ＰＤ前帶有或不帶二級管橋的設(shè)計中。

圖1

    ＭＡＸ５９４１有三種不同的工作模式：ＰＤ偵測、ＰＤ分級和ＰＤ供電模式。

偵測模式（１．４Ｖ≤ＶＩＮ≤１０．１Ｖ）下，供電設(shè)備（ＰＳＥ）將向ＶＩＮ施加兩種１．４Ｖ～１０．１Ｖ范圍內(nèi)的電壓（最小步長１Ｖ），然后記錄兩個點的電流值，并由ＰＳＥ計算ΔＶ／ΔＩ，以確認(rèn)２５．５ｋΩ特征電阻是否存在。在此模式下，ＭＡＸ５９４１內(nèi)部的大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài)，失調(diào)電流小于１０μＡ。如果施加在ＰＤ上的電壓有可能被顛倒，則需要在輸入端安裝保護二極管，以免對ＭＡＸ５９４１造成內(nèi)部損傷。由于ＰＳＥ使用斜率技術(shù)（ΔＶ／ΔＩ）來計算特征阻抗，這樣，保護二極管引起的直流偏差已被扣除，因而不會影響偵測過程。

分級模式（１２．６Ｖ≤ＶＩＮ≤２０Ｖ）下，ＰＳＥ根據(jù)ＰＤ所要求的功率對ＰＤ進行分級。以便ＰＳＥ高效地管理功率分配。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ標(biāo)準(zhǔn)定義了五個不同的級別。分級電流可由連接在ＲＣＬ與ＶＥＥ之間的外部電阻（ＲＣＬ）來設(shè)定。ＰＳＥ通過在ＰＤ輸入端施加一個電壓，以及測量流出ＰＳＥ的電流來確定ＰＤ的分級。當(dāng)ＰＳＥ施加一個介于１２．６Ｖ～２０Ｖ之間的電壓時。ＰＳＥ利用分級電流信息區(qū)分ＰＤ所需要的功率。分級電流包括２５．５ｋΩ偵測特征電阻吸收的電流和ＭＡＸ５９４１的電源電流，ＰＤ吸收的總電流應(yīng)在ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。進入供電模式后，分級電流將被關(guān)斷。

供電模式下，當(dāng)ＶＩＮ上升至欠壓鎖定門限( ＶＵＶ-ＬＯ,ＯＮ)以上時，ＭＡＸ５９４１將逐步開啟內(nèi)部Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ管Ｑ１。圖１是ＭＡＸ５９４１的內(nèi)部接口電路框圖。ＭＡＸ５９４１用一個恒流（典型值為１０μＡ）對Ｑ１柵極充電。Ｑ１的漏－柵電容限制了ＭＯＳＦＥＴ漏極電壓的上升速率，因而限制了浪涌電流。為了降低浪涌電流，也可在外部添加漏－柵電容。當(dāng)Ｑ１的漏－源電壓降至１．２Ｖ以下，且柵－源電壓高于５Ｖ時，ＭＡＸ５９４１會發(fā)出“電源好”信號。由于ＭＡＸ５９４１具有較寬的ＵＶＬＯ滯回和關(guān)斷消隱時間，因而可補償雙絞電纜的高阻抗。

３ 用ＭＡＸ５９４１實現(xiàn)４８Ｖ電源轉(zhuǎn)換

ＭＡＸ５９４１是電流模式的ＰＷＭ控制器，可將４８Ｖ輸入電源轉(zhuǎn)換成５Ｖ電壓輸出，ＭＡＸ５９４１用內(nèi)部穩(wěn)壓器取代高功耗的啟動電阻，這不但可為ＭＡＸ５９４１提供啟動所需的電能，還能穩(wěn)定第三（偏置）繞組的輸出電壓，從而為ＩＣ提供穩(wěn)定的工作電源

。開始啟動時，調(diào)節(jié)器將Ｖ＋調(diào)整到ＶＣＣ并為器件提供偏置。啟動之后，改由ＶＤＤ穩(wěn)壓器從第三繞組輸出穩(wěn)定的ＶＣＣ。此結(jié)構(gòu)只需一只很小的電容即可對第三繞組的輸出進行濾波，從而省下了一只濾波電感的成本。

在設(shè)計第三繞組時，所設(shè)計的線圈匝數(shù)應(yīng)保證最小反射電壓始終大于１２．７Ｖ。而最大反射電壓則必須小于３６Ｖ。

為降低功耗，當(dāng)ＶＤＤ電壓達到１２．７Ｖ后，可以將高壓調(diào)節(jié)器關(guān)掉。這樣可以降低功耗并改善效率。如果ＶＣＣ降低到欠壓鎖定門限（ＶＣＣ＝６．６Ｖ）以下，低壓調(diào)節(jié)器將被關(guān)閉，電路重新進入軟啟動。此時欠壓鎖定狀態(tài)ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動器的輸出（ＮＤＲＶ）保持為低。

如果輸入電壓介于１３～３６Ｖ之間，只要不超出最大功耗，就可以將Ｖ＋和ＶＤＤ連接到線電壓。這樣就可省掉第三繞組。

４ ＭＡＸ５９４１的設(shè)計實例

ＭＡＸ５９４１的一般設(shè)計步驟如下：

●確定具體需求?

●設(shè)定輸出電壓?

●計算變壓器主、副繞組匝比?

●計算復(fù)位繞組與主繞組匝比?

●計算第三繞組與主繞組匝比?

●計算檢流電阻值?

●計算輸出電感值?

●選擇輸出電容。

圖2

    圖２是用ＭＡＸ５９４１Ｂ設(shè)計的正激式ＤＣ／ＤＣ轉(zhuǎn)換器，具體計算如下：

(１)對于３０Ｖ≤ＶＩＮ≤６７Ｖ，ＶＯＵＴ＝５Ｖ，ＩＯＵＴ＝１０Ａ，ＶＲＩＰＰＬＥ≤５０ｍＶ的要求。開啟門限應(yīng)設(shè)為３８．６Ｖ。

(２)設(shè)定輸出電壓時，可根據(jù)下式計算電阻Ｒ１和Ｒ２：

ＶＲＥＦ／ＶＯＵＴ＝Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２)

式中ＶＲＥＦ是并聯(lián)調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓。

（３）根據(jù)最小輸入電壓和ＭＡＸ５９４１Ｂ的最大占空比下限（４４％）計算變壓器匝比時，為了能夠使用漏－源擊穿電壓小于２００Ｖ的ＭＯＳＦＥＴ，本設(shè)計選用最大占空比為５０％的ＭＡＸ５９４１Ｂ。然后根據(jù)下式計算匝數(shù)比：

ＮＳ／ＮＰ≥（ＶＯＵＴ＋ＶＤ１×ＤＭＡＸ）／（ＤＭＡＸ×ＶＩＮ＿ＭＩＮ）?

式中：ＮＳ／ＮＰ為匝數(shù)比（ＮＳ是副繞組匝數(shù)，ＮＰ是主繞組匝數(shù)），ＶＯＵＴ為輸出電壓（５Ｖ），ＶＤ１為Ｄ１上的壓降（功率肖特基二極管典型壓降為０．５Ｖ），ＤＭＡＸ為最大工作占空比的最小值（４４％），ＶＩＮ＿ＭＩＮ為最小輸入電壓（３０Ｖ），對于本例：ＮＳ／ＮＰ≥０．３９５，選擇ＮＰ ＝１４時，ＮＳ＝６。

（４）較低的復(fù)位繞組匝比（ＮＲ／ＮＰ）可確保變壓器中的所有能量在最大占空比下的關(guān)閉周期內(nèi)能夠全部返回Ｖ＋�？捎孟率絹泶_定復(fù)位繞組匝比：

ＮＲ≤ＮＰ×（１－ＤＭＡＸ＇）／ＤＭＡＸ＇

式中：ＮＲ／ＮＰ為復(fù)位繞組匝比，ＤＭＡＸ＇為占空比的最大值（５０％），計算ＮＲ＝１４。

（５）選擇第三繞組匝比（ＮＴ／ＮＰ），以使最小輸入電壓能夠在ＶＤＤ處提供最小工作電壓（１３Ｖ）。可采用下式計算第三繞組匝比：

ＮＰ（ＶＤＤＭＩＮ ＋０．７）／ ＶＩＮ＿ＭＩＮ≤ＮＴ≤ＮＰ（ＶＤＤＭＡＸ＋０．７）／ ＶＩＮ＿ＭＡＸ

式中：ＶＤＤＭＩＮ是最�。郑模碾娫措妷海ǎ保常郑�，ＶＤＤＭＡＸ是最大ＶＤＤ電源電壓（３０Ｖ），ＶＩＮ＿ＭＩＮ是最小輸入電壓（３０Ｖ），ＶＩＮ＿ＭＡＸ是最大輸入電壓（本設(shè)計為６７Ｖ），ＮＰ是主繞組匝數(shù)，ＮＴ是第三繞組匝數(shù)：可選擇ＮＴ＝７。

（６）根據(jù)下式選擇ＲＳＥＮＳＥ：

ＲＳＥＮＳＥ≤ＶＩＬＩＭ／（ＮＳ×１．２×ＩＯＵＴＭＡＸ／ＮＰ）

式中：ＶＩＬＩＭ是檢流比較器的觸發(fā)門限電壓（０．４６５Ｖ），ＮＳ／ＮＰ是副端匝比（本例為５／１４），ＩＯＵＴＭＡＸ是最大直流輸出電流（本例為１０Ａ），ＲＳＥＮＳＥ選９０．４ｍΩ。

（７）選擇電感時，應(yīng)使電感中的峰值紋波電流（ＬＩＲ）介于最大輸出電流的１０％和２０％之間：

Ｌ≥(ＶＯＵＴ＋ＶＤ)(１－ＤＭＩＮ)／(２ＬＩＲ×２７５ｋＨｚ×ＩＯＵＴＭＡＸ)

式中ＶＤ是輸出肖特基二極管的正向壓降（０．５Ｖ），ＬＩＲ是電感紋波電流與直流輸出電流之比。本例中，Ｌ選４．０１μＨ。

（８）輸出濾波電容的容量和ＥＳＲ可決定輸出紋波。選擇低ＥＳＲ電容有利于滿足紋波電壓的要求。圖２中選擇了三只５６０μＦ的電容。

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