高效率返驰式乙太网路供电系统设计

乙太网路供电（PoE）技术在市场上迅速攻城略地，网路电话、保全系统摄影机、WLAN节点都能利用此一技术。本文将介绍一款实用的 PoE 返驰式转换器（Flyback Converter）设计方式，并提供基于NS单晶片控制器的设计范例。
PoE降低系统成本且便于管理
乙太网路供电（PoE）技术是一种透过标准乙太网路电缆供电及传送资料的技术，包括网路电话、保全系统摄影机以及无线区域网路（WLAN）节点都能采用 PoE 技术供电。由于透过乙太网获得供电的电子设备无需额外电源插座就能直接使用，而且系统整体成本也较低，使PoE 解决方案在市场上迅速攻城略地，愈来愈受欢迎。

以网路电话为例，电话装置在採用不断电系统（UPS）确保供电时更为稳定可靠，不易出现突波电流（Power Surge）、盗电、电力中断或完全中止等情况。而且由于全球各地都普遍採用 RJ-45 插座，因此各式 PoE 设备都能相容。最后值得一提的是，採用 PoE 技术的电子设备不但易于管理，并且具备了远程通电/断电的能力。

不过乙太网路集线器的供电量以及乙太网路电缆的电流传输量毕竟有限，为了确保两者不会出现过载，以及统一规格标准，国际电机电子工程师学会（IEEE）特别制定 802.3af PoE 技术规格，确保乙太网路供电的负载符合所需。

图 1：利用第 5 类（CAT-5）电缆供电

符合 IEEE 标准的用电设备（PD）作业模式
美国的 IEEE于 2003 年 6 月通过有关 PoE 产品的技术标准：IEEE802.3af，其规定确保了旧式及 PoE 设备均可获得同样安全可靠的供电能力，原有的电缆网路可继续延用，且供电时不会造成传送讯号衰减或出现错误。IEEE 更规定必须採用标准的第 5e 类（CAT-5e）乙太网路电缆，以电缆内四对双绞铜导线中的两对传送 48V 直流电。供电量分为 4 个级别，每埠最低供电量为 4W，而最高的供电量则为15.4W。

供电设备（PSE）可透过测量电缆阻抗的大小（Signature-detection，特徵侦测功能），确定用电设备（PD）是否已连接。如侦测出来的阻抗测量数值介于 23.75kΩ 与 26.25kΩ 之间，便可判别用电设备已连网。

若电压超过 23V，供电设备可以执行欠压锁定（UVLO）功能，以防特徵电阻损坏，并待用电设备的电压升至适当值之后，才为输入电容器充电，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。

一旦欠压锁定解除之后，控制器的介面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，主功率场效应电晶体（powerFET） 的电流规定不可超过 450mA 的最高极限，并可另行设定电流限幅。

但由于许多新式 PoE 设备所需的供电量往往超过目前的规定标准，因此LM5072 晶片具有特别的功能，容许晶片额外利用辅助电源提供的供电，因此其最高电流可以设定至 800mA，使供电提升至 25W。

 

                   

图 2：PoE 设备的作业模式顺序

适用于 PoE 供电系统的典型直流/直流转换器设计
目前返驰式转换器是最常被採用的 PoE 供电系统线路佈局方法 。它不但设计简单，而成本也相当低，是价格效益比很高的解决方案。返驰式转换器适用于隔离式的多输出供电系统，可提供低到只有几瓦特（W）、高可到 20-30W 的输出功率。

虽然在低功率下作业时，返驰式转换器通常都会採用不连续导通模式（DCM），但连续导通模式（CCM） 的效率反而比较高。因为以某一输出功率为基准作比较，初级线圈场效应电晶体的均方根（RMS） 电流较小。一般採用不连续导通模式作业有两个理由，其一是可以採用较小的变压器；其次是将控制转换函数的右半平面零点（right half plane zero） 移到足够高的高频区，以便将其中的不利影响减至最小。

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，返驰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出来：

在上述公式中，Vin 为输入电压、D 为初级线圈场效应电晶体的佔空比、Iin 为平均输入电流，而 L 则为变压器的磁化电感。上述应用实例若採用连续导电模式作业，变压器的磁化电感值一般均设定为 100µH。若最低输入电压为 26V、最高输入电流为 360mA，而初级线圈场效应电晶体的相关佔空比数值为 0.4，若根据以上的数值运算，右半平面零无论在任何作业情况都会处于 64kHz 的频率下限。对大部分 PoE 设备来说，这个频率下限对回授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整合的积体电路，因此供电系统只需添加极少的外置元件，便能符合 IEEE802.3af 标准的要求。图 3 是 PoE 供电系统的典型应用电路图，图中的电路採用美国国家半导体的 LM5072 晶片。这是一款内建 100V PoE 用电设备介面并可支援后备电源的 PWM 控制器。採用 LM5072 晶片的优点是用电设备在选择供电来源方面有较大的灵活性，像是不同配置的用电设备都可利用后备电源的供电，也包括了交流电。

以採用连续模式返驰式转换器的电路佈局为例，利用快速 PWM 电流模式控制器会较为理想，採此种方式不但可控制及限制输入电流的流量，尚可稳定同一电路的输出电压。此外也可以调节功率电晶体的佔空比，以便控制线路及电流的暂态反应。佔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感应电阻的初级线圈电感电流。

我们可将电流感应信号与内部参考电压加以比较，以便为每一周期设定电流限幅。我们也可为电流斜波讯号提供内部斜率补偿，以便解决佔空比超过 50% 时次谐波振荡所产生的内部不稳定问题。

结论
PoE 设备普遍采用返驰（Flyback） 连续导电模式设计方案，不但设计简单、成本较低，而且还可达到较高的效率。