用于以太网供电的反激式电源系统设计

　由于通过以太网获得供电的电子设备无需依靠交流电，而且系统的整体成本也较低，因此 PoE 解决方案很快便大受市场欢迎。以网络电话为例，采用不中断电源供应 (UPS) 技术可以保证供电更稳定可靠，不易出现浪涌电流、盗电、电力中断等情况。此外，世界各地都普遍采用 RJ-45 连接器，因此各地的 PoE 设备可以兼容。采用 PoE 技术的电子设备不但具有管理上的灵活，而且还具备远程通、断电能力。 但以太网集线器的供电量以及以太网电缆的电流传输量毕竟有限。为确保两者不出现过载，国际电子电气工程师协会(IEEE) 特别为需要通过以太网获得供电的负载制定 802.3af PoE 技术标准，确保有关负载的电气特性符合标准要求。

Sat Mar 10 2007

　　符合 IEEE 标准的用电设备操作模式

　　2003年6月IEEE通过采纳有关PoE产品的技术标准。IEEE802.3af标准规定旧式和PoE设备都必须

同样获得安全可靠的供电，原有的电缆网络须继续保留，而馈电时不会令传送的信号出现衰减或错误。IEEE 还规定必须采用标准的第5e类 (CAT-5e) 以太网电缆，而且必须利用电缆内四对双绞铜导线中的两对传送48V直流电（见图1）。供电量分为4个级别，最低供电量为每端口4W，而最高的供电量则为每端口15.4W。

　　供电设备 (PSE) 可以利用特征检测功能，测量电缆阻抗的大小，以确定用电设备 (PD) 是否已连接。供电设备可以根据其内部设定作出判断，若阻抗的测量值介于23.75kΩ ~ 26.25kΩ，便可断定已连接用电设备。PoE设备的操作模式次序见图2。

　　若电压超过 23V，供电设备执行欠压锁定 (UVLO) 功能，以防出现不理想的特征电阻，确保用电设备的电压升至最高值之后，才为输入电容器充电以及将输出电压稳定在指定的范围内。此外，用电设备也可将有关其用电级别的资料直接通知供电设备。欠压锁定一旦解除之后，控制器的接口电路便会为负载电容充电。这个负载电容是专为开关模式电源供应而设的输入电容。为了确保充电过程不会失控，主功率场效应晶体管的电流规定不可超过 450mA ，并且浪涌限流值可另外设定。

　　但由于许多新一代 PoE 设备所需的供电量往往超过目前的规定标准，因此 LM5072 芯片设有特别的功能，容许芯片利用辅助电源提供的供电，而且最高电流可以设定为 800mA，使供电可高达 25W。

　　适用于 PoE 供电系统的典型DC/DC转换器设计

　　从线路布局的角度看，反激式转换器非常适合于 PoE 供电系统，而事实上反激式转换器也最受欢迎。反激式转换器不但设计极为简单，而且兼顾了成本和效率，适用于隔离式的多输出供电系统，可为典型的应用提供低至几W、高至 20W ~ 30W的输出功率。

　　虽然进行低功率操作时，反激式转换器通常都采用非连续导电模式 (DCM)，但连续导电模式 (CCM) 的效率最高，因为以某一输出功率为基准作比较，初级线圈场效应晶体管的均方根 (RMS) 电流较小。一般来说，采用非连续导电模式操作有两个理由，其一是可以采用较小的变压器，此外，又可将控制传送函数的右半平面零 (right half plane zero) 移到足够高的高频区，以便将不利影响减至最小。

　　至于PoE供电系统的供电量及输入电压范围，我们只要作出几个简单的运算，便可得出以下的结论 ：右半平面零处于足够高的高频区内，因此不会构成任何问题。以连续导电模式为例来说，反激式转换器的右半平面零的频率下限可以利用以下公式计算 ：

　　在上述公式中，Vin为输入电压、D为初级线圈场效应晶体管的占空比、Iin 为平均输入电流，而L则为变压器的磁化电感。上述应用实例若采用连续导电模式操作，变压器的磁化电感值一般均设定为100mH。若最低输入电压为26V、最高输入电流为360mA，而初级线圈场效应晶体管的相关占空比数值为0.4，若根据以上的数值运算，右半平面零无论在任何操作情况都会处于64kHz的频率下限。对大部分PoE设备来说，这个频率下限对反馈补偿器的设计只会有微不足道的影响。

　　由于LM5070、LM5071及 LM5072等几款控制器是高度集成的电路，因此供电系统只需添加极少的外置元件，便符合IEEE802.3af 标准的要求。图 3 是 PoE 供电系统的典型应用电路图，图中的电路采用LM5072 芯片。这是一款内置 100V PoE 用电设备接口并可支持后备电源的 PWM 控制器。采用 LM5072 芯片的好处是用电设备在选择供电来源方面有较大的灵活性，例如不同配置的用电设备都可利用后备电源的供电，其中包括交流电。

　　以采用连续模式反激式转换器的电路布局为例，采用快速 PWM 电流模式控制器会较为理想，因为这样不但可以控制及限制输入电流的流量，而且还可稳定同一电路的输出电压。此外，我们也可调节功率晶体管的占空比，以便控制线路及电流的瞬态响应。占空比的大小取决于输出电压的误差及锯齿波形，而两者都取决于流入外置电流传感电阻的初级线圈电感电流。

　　我们可将电流传感信号与内部参考电压加以比较，以便为每一周期设定限流值。我们也可为电流斜波信号提供内部斜率补偿，以便解决占空比超过 50% 时分谐波振荡所产生的内部不稳定问题。

　　结论

　　反激式连续导电模式不但设计简单、成本较低，而且还可发挥极高的效率，是 PoE 设备普遍采用的设计方案。