用于PoE应用的低成本隔离电源

本文描述一种用于PoE(Power-over-Ethernet以太网供电)用电装置(Powered Device-PD)的易用、低成本、隔离电源。以太网供电是通过已有的CAT-5  Ethernet 缆线为以太装置提供数据和电源新功能。PoE由IEEE802.3af标准决定。PoE正在迅速得到制造商和用户(如VoIP电话，无线接入点，保密相机、售货终端)的喜爱。PoE系统优点是：

•低成本—可以消除墙上电源。

•灵活的接入点配置—无线接入点不再需要配置在AC电源的周围(或需要有AC电源线通过)。

•远程管理能力：IP电话和 WLAN接入点可以远程上电或下电。远程主机可以确定有多少装置需要电源和决定哪些装置应该通电。

•较高的可靠性：在开关末端可以用冗余电源。

•全球兼容性：PoE建立一个通用全球电源连接器。

为了依从IEEEE802.3af  PoE标准，Ethernet线上的用电装置(PD)必须在起动时能被识别，被分类，被控制并满足隔离要求。按802.3af的隔离要求，一个PD应该在电源接口(PI)线，外部导线和机架地之间提供电气隔离。隔离必须满足IEC60950-1:200子项6.2的1500V SELV要求。安装在塑料壳中的VoIP电话(无外部连接器或缆线)可满足这种要求。实现隔离的另一种方法是用带变压器的电源变换器，它具有1500V隔离和光隔离输出电压反锁。电气隔离对VoIP电话和WLAN接入点制造商来讲是一种应留心的选择，希望在其用于下游台式PC的产品中包含另外的Ethernet端口。

本文所描述的隔离电源能经Ethernet缆线为PD工作提供系统电压。电源由下列部分组成：PoE控制器，EMI滤波器，隔离电源变换器和第二变换器。尽管此电源是专门为VoIP电话设计时，但其特性是通用的，并可容易适用于其他PoE应用，此电源的主要设计目标是：低成本、小尺寸、高效率和符合IEEE802.3af标准。此电源的完整电路示于图1。

PoE控制器

TPS2370是做为电源设备(PSE)和用电装置(PD)的接口。执行IEEE802.3af标准所需的所用检测，分类起动电流限制和开关FET控制。当PSE加电压1.8V~10V到24.9KΩ显示电阻R2时，检测Ethernet的存在，当PSE加15V~20V到分类电阻R5时，设置PD的分级。PD的分类电平标记PD需要多小来自Ethernet线路的电源。内部FET和控制电路限制来自Ethernet线路的启动和稳态电流，用户可用R4设置启动电流限制。C10用于消除线路电感引起的启动振荡。IEEE802.3af标准限制该输入电容器大小为0.15mF，D9防止任何耦合进Ethernet线路的瞬变。在此应用中，D1~D4隔离Ethernet电源和外部稳压48VDC电源。二极管通常也用在Ethernet线路保护极性反向和提供自动极性校正。

输入EMI滤波器

PD和隔离电源所产生的噪声可能干扰所传输的数据和连接在同一Ethernet线路上其中PD装置的工作。IEEE820.3af规定为保证数据完整性在PI/PD接口上所允许的最大纹波。此电源工作在100KHz，而在此频率峰—峰电压纹波限制是200 mV。应注意，基频100 KHz的谐波和 PD也可产生噪声，这会增加滤涉要求。L1、L2和C3是一个差分滤波器，用于降低隔离电源所产生的电流脉冲，由于杂散电容所致在输入电源线上也会产生噪声。L3和L5滤波这些共模电流。IEEE802.3af限制是共模和差分模式纹波。很多PD也必须满足FCC/EU辐射标准，所以，共模滤法器设计应把此需求考虑进去。

隔离电源变换器

具有自动驱动同步整流器3.3V输出的反激变换器用于该设计。同步整流器与肖特基二极管相比，具有非常小的压降，这可增加效率。为了使用同步整流器在整个初级开关关闭时间具有一个驱动波形，就需要连续电流模式工作。T1是反激变压器(实际是一个电感器，它储存能量)，MOSFET  Q2随可变占空比和100KHz周期开和关，使T1储存能量，在Q2导通期间，输出电容器提供全部负载电流。在Q2 关闭期间， Q1栅板和源极之间的电压是正的，使其导通。电流流入输出电容器，重新充电这些电容器并进入3.3V负载。为了稳压3.3V输出，测量电压与 TLV431A并联稳压器U5中的基准进行比较。光电隔离器U4提供反馈通路中的隔离。U3是UCC3809 PMW控制器，它控制Q2导通时间，然后调整3.3V输出。Q2导通时间控制储存在T1中的能量值，依次调整提供给次级的能量，稳定3.3输出。

在变压器T1增加另一绕组(用适当的匝数比)产生第二个输出电压。肖特基二插管D5，在Q2关闭期间正向偏置，允许电流流入输出电容器和5V负载。以这种方式所产生的第二个输出是半稳压输出，其容差为8%~10%，这取决于输入线路和负载。为了得到更好的稳压，把输出设置销微高于所需电压，并采用低压降稳压器(LDO)来提供较高的稳压性能。LDO可达到1%~2%容差。

非隔离电源变换器

PD需要另外2个电压，需要1个可调12V~24V(20mA)，用于LCD显示的偏置。3×3mmQFN封装的TPS61045高频升压变换器U6用于升压3.3V输出。DSP芯核电压需要1.5V(250mA)。TPS62210同步降压变换器(SOT23-5封装)U7用于降压3.3V到1.5V (效率87%)。这两个IC器件都具有内部电源开关和控制环路补偿，这减少了外部元件数，板空间和成本。