【導(dǎo)讀】與傳統(tǒng)交流電源相比，以太網(wǎng)供電（PoE）電源可以通過(guò)現(xiàn)有以太網(wǎng)電纜同時(shí)供電并傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)將電源線與數(shù)據(jù)線集成在一起，PoE 應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)高性價(jià)比以及靈活的安裝。隨著應(yīng)用對(duì)電力需求的不斷增長(zhǎng)，PoE 解決方案在眾多行業(yè)中迅速普及。
本系列的兩篇文章將探討如何為 PoE-bt 應(yīng)用設(shè)計(jì)有源鉗位正激控制器。本文為上篇，介紹PoE 應(yīng)用以及正激變換器拓?fù)浜陀性淬Q位的基礎(chǔ)知識(shí)。
以太網(wǎng)供電 (POE) 的發(fā)展歷程
圖 1 顯示了 PoE 功能的演變歷程。最初的PoE出現(xiàn)于2003年，它只能為設(shè)備提供最大13W的功率，稱之為802.3af協(xié)議。但13W終究無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的功率需求，因此2009 年，802.3at 協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。該協(xié)議改進(jìn)了電壓和電流規(guī)格，提供高達(dá) 25.5W 的功率。最近的802.3bt 協(xié)議于 2019 年發(fā)布，它提供高達(dá) 71W 的功率，以應(yīng)對(duì)PoE 應(yīng)用蓬勃的發(fā)展。
圖1: PoE的演變歷程
大多數(shù) PoE 解決方案都由兩部分組成：受電設(shè)備 (PD) 和供電設(shè)備 (PSE)（見(jiàn)圖 2）。雖然PSE和PD都從交流電源獲取電力，但PSE 的行為類(lèi)似電源，而PD則純粹消耗電力。為確保PSE能為PD供電，PoE通過(guò)一個(gè)握手流程防止PD連接到協(xié)議不兼容的PSE設(shè)備上，從而保護(hù)PD免受損壞。
圖2: PoE的主要組成
典型的PSE設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器，而典型PD設(shè)備則包括IP 電話、安全攝像頭和基站。MPS 提供滿足802.3af/at/bt協(xié)議的全面解決方案，這些方案涵蓋協(xié)議、DC/DC 控制器、集成協(xié)議和電源 IC，并針對(duì)不同功率級(jí)別的應(yīng)用。例如MP80xx 系列產(chǎn)品，均為高度集成且兼容802.3af/at/bt協(xié)議的DC/DC變換器和控制器。
以 MP6005為例，這是一款支持當(dāng)前所有PoE 協(xié)議設(shè)計(jì)的DC/DC 控制器，它采用低端有源鉗位電路，可同時(shí)用于反激和正激拓?fù)洳腜SE 傳輸功率。
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較
PoE 應(yīng)用中常采用隔離電路來(lái)提高安全性與可靠性。反激和正激變換器的隔離電路通常都具有低于100W的功率。圖 3 顯示了基本反激拓?fù)洌ㄗ螅┖突菊ね負(fù)洌ㄓ遥┑某Ｒ?jiàn)隔離電路。
圖3: 反激和正激變換器中常見(jiàn)的隔離電路
與反激變換器相比，正激變換器在變壓器的開(kāi)關(guān)過(guò)程中不需要能量存儲(chǔ)。因此，由于功率器件上的電流應(yīng)力較小，所以效率更高。但是，正激變換器需要更多的開(kāi)關(guān)器件，因而成本更高。
正激變換器非常適合具有低電壓和大輸出電流的應(yīng)用。而且，正激變換器還常常添加原邊有源鉗位電路和副邊同步整流電路以進(jìn)一步提高其效率。表 1對(duì)有源鉗位反激變換器和正激變換器之間的尺寸和成本進(jìn)行了比較。
表1: 反激變換器與正激變換器的比較
正激變換器設(shè)計(jì)
圖 5 顯示了由變壓器實(shí)現(xiàn)隔離的正激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中QMAIN 是主開(kāi)關(guān)，QAUX是輔助開(kāi)關(guān)，QF 是副邊續(xù)流 MOSFET，QR 是副邊整流 MOSFET，LO是輸出電感。
圖5: 正激變換器拓?fù)?/p>
有源鉗位
隔離電路中常見(jiàn)的鉗位電路包括RCD鉗位和有源鉗位。在RCD 鉗位電路中，磁化電感（以及部分漏感）中的能量通過(guò) RCD 中的電阻耗散，這會(huì)降低拓?fù)涞恼w效率。而主MOSFET 上的高壓尖峰不僅會(huì)導(dǎo)致電磁干擾 (EMI) 問(wèn)題，還會(huì)造成副邊同步整流MOSFET 上產(chǎn)生問(wèn)題。我們將在下一篇文章中對(duì)此進(jìn)行詳述。
有源鉗位電路克服了RCD鉗位電路的缺點(diǎn)，它不僅可以恢復(fù)磁化電感和漏電感的能量，還可以抑制主開(kāi)關(guān) MOSFET 上的電壓尖峰。輔助開(kāi)關(guān)還可以采用軟開(kāi)關(guān)模式工作來(lái)提高效率。根據(jù)輔助MOSFET的位置，有源鉗位電路可分為高端和低端組件。例如，MP6005就采用了低端有源鉗位電路。
當(dāng)原邊主 MOSFET關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓由磁化電感的復(fù)位電壓和鉗位電容電壓組成。較大值的鉗位電容器對(duì)應(yīng)于較低的開(kāi)關(guān)電壓幅度、較低的鉗位電容器諧振頻率和較低的磁化電感。因?yàn)榭刂苹芈返膸捦ǔＴO(shè)置為諧振頻率的五分之一至三分之一之間，所以鉗位電容不能太大，否則會(huì)影響控制回路的響應(yīng)速度。
總結(jié)
在本文中，我們回顧了PoE解決方案的演變歷程及其主要組件，比較了反激和正激變換器拓?fù)?，以及常?jiàn)的鉗位電路，包括有源鉗位電路。 本系列的下一篇文章 將更加深入地探討副邊同步整流MOSFET、副邊尖峰吸收電路以及PoE-bt應(yīng)用的效率驗(yàn)證過(guò)程。
來(lái)源：芯源系統(tǒng)
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