一種應對PoE受電設備設計挑戰(zhàn)的解決方案

標簽：電源 以太網

POE (Power Over Ethernet)指的是在現(xiàn)有的以太網Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端(如IP電話機、無線局域網接入點AP、網絡攝像機等)傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術。POE技術能在確保現(xiàn)有結構化布線安全的同時保證現(xiàn)有網絡的正常運作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af標準是基于以太網供電系統(tǒng)POE的新標準，它在IEEE 802.3的基礎上增加了通過網線直接供電的相關標準，是現(xiàn)有以太網標準的擴展，也是第一個關于電源分配的國際標準。

為了在新的產品應用中奪取和保持市場占有率，降低PoE受電設備(PD)中電源級所占用的成本而同時不犧牲可靠性是至關重要的。本文所提出的解決方案可降低成本并提高PD電源級的可靠和穩(wěn)定性。

對于集成PD電源電路，電源管理IC制造商一般采取下列兩種方法之一(參見圖1)：

圖1：兩個分立接口電路：a) 對0級;b) 對1、2和3級

A. 將前端接口電路和一個用于DC-DC轉換器(驅動一個分立功率MOSFET)的PWM控制器集成在一片IC上。B. 將一個功率MOSFET、PWM控制器和用于DC-DC轉換器的所有支持電路集成在一片IC上。

第一種方法看來要把大多數電路集成到芯片之中。然而，它不是理想的解決方案，因為接口電路僅僅具有一種可變功能：識別PD的級別(0, 1, 2或3)。在IC內集成如此簡單的電路并未對晶圓面積進行最有成本效益地利用，特別是僅使用幾個標準的獨立元件就可以低廉的成本實現(xiàn)的電路，這些獨立元件還可在另個新設計中重復使用。

圖2：兩種用于PD電源級的最常見集成方法

圖2顯示了兩個分立接口電路。左側電路實現(xiàn)一個0級PD,在大批量生產中的成本僅僅為9美分;右側電路成本為20美分，通過改變唯一的電阻(R16)的數值，可以把PD分為1、2或3級。

DC-DC轉換器比接口電路要復雜得多，因此，第二種方法(圖1中B) 如果把支持DC-DC轉換需要的所有功能都集成在IC內部的話，是可以極大地簡化設計。

面向PoE應用的電源轉換IC

DC/DC轉換器為轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC轉換器分為三類：升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。根據需求可采用三類控制。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉換到PWM控制。目前DC-DC轉換器廣泛應用于手機、MP3、數碼相機、便攜式媒體播放器等產品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。

因為直通開關MOSFET的漏極被連接到DC-DC轉換器的開關MOSFET的源極，現(xiàn)有辦法不能把一切都集成到一顆單片晶圓上。一些包含多顆晶圓的IC正開始出現(xiàn)，然而，它們可能價格不菲。因此，要么選擇把前端和一個PWM控制器集成在一起的單片芯片，要么選擇把PWM控制器、功率MOSFET和相關支持電路集成在一起的單片芯片。

因為設計時間的大半將花在DC-DC轉換器上，把常用支持功能集成在所選擇的IC之中是至關重要的。下列就是在一款IC中應包括的集成功能：

過熱保護：

安全和高度可靠的DC-DC轉換器具有熱感測和過熱保護。MOSFET開關可能是所有開關轉換器中最易發(fā)熱的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其溫度必須被感測出來以提供熱保護。當采用分立MOSFET開關的時候，必須安裝熱傳感器以便它直接與MOSFET接觸，這通常需要一些手工安裝的步驟。然而，當MOSFET與控制器一道被集成在同一晶圓上的時候，控制器可以直接感測MOSFET溫度。這就省略了把熱傳感器連接到分立MOSFET時所需要的手工安裝步驟。

支持轉換器通常所需要的其它一些功能是：啟動、軟啟動、自動重啟動、欠壓鎖定(UVLO)、過壓關斷以及MOSFET電流檢測和限流。

啟動：

一旦轉換器開始工作，它通常從主變壓器上的輔助繞組向PWM控制芯片提供電源。然而，當電源首次被施加到轉換器時，輔助電源沒有電，必須利用附加電路向控制器提供初始工作電流。當初始供電電路被集成到控制器IC之中時，工程師既不需要參與其設計，也不需要擔心其正確的工作，特別是如果該電路需要非常少的外部元器件實現(xiàn)正常工作的話。這就縮短了設計周期，與此同時，也減少了元器件的數量。

軟啟動：

集成啟動電路也可以被設計為緩慢松開轉換器使其進入完全工作。在軟啟動期間，開關占空比最初非常低，并在開始工作的最初幾毫秒期間緩慢增加。這就減輕了對各種電源元器件的壓力，使它們的壽命更長。

自動重啟動：

高可靠性和穩(wěn)定性工作要求防止轉換器或負載的元器件出現(xiàn)故障。當保護功能被集成到IC內部時，設計工程師的工作就極大地減輕了。此外，一種設計良好的自動重啟動功能可以限制某種故障期間可能被傳遞到負載的功率，并且可以通過有效反饋信號的丟失來激活，而不是由對IC供電電源的丟失來激活。這一點很重要，因為在輸出過載條件期間偏置電源可能提供足夠保持IC正常工作的功率，所以，不能依賴它的丟失作為故障保護的手段。

UVLO和過壓關斷：

欠壓關斷模式是當供電電壓低于IC的開啟門限電壓時的一種保護模式。欠壓關斷模式可保證IC在供電電壓不足時不致于被損壞。一個低電壓鎖定(UVLO)電路可確保IC在電池電壓未達到安全操作電壓前不同激活，UVLO的功能會展示滯后現(xiàn)象，以確保在電源供應架上的噪音不會不慎導致系統(tǒng)故障。當類似低電壓或高電壓狀況發(fā)生于監(jiān)控輸出或在系統(tǒng)電源供應出現(xiàn)低電壓的錯誤時，所有監(jiān)控的電源供應可能會激發(fā)出像是一排序電源關閉的操作之內部錯誤反應，或是一種立即的強迫關閉。

雖然在發(fā)現(xiàn)和分級期間接口電路執(zhí)行最初的欠壓鎖定功能，DC-DC轉換器也需要具備它自己的UVLO功能以滿足IEEE802.3af規(guī)范對工作范圍的要求。過壓關斷功能保護負載免受在CAT-5電纜上的反常高壓。此外，這兩種功能都應該被集成到IC之中，以保持設計時間盡可能短。

MOSFET電流感測和限流：

金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其通道的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃(Å)不等，通常材料是二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)，不過有些新的進階制程已經可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做為氧化層之用。

在每一個開關周期感測和限制峰值MOSFET電流可能有助于防止變壓器飽和并使轉換器更為穩(wěn)定。在低功率級別，MOSFET電流感測是利用一個與MOSFET源極串聯(lián)的電流感測電阻實現(xiàn)的;這有效地增加了MOSFET漏-源極(RDS(ON))的導通電阻，但是，降低了轉換器的效率。然而，當MOSFET與控制器一道被集成到同一晶片之上時，不需要任何外部元器件就可以感測和限制峰值MOSFET電流。除了減少轉換器的元器件數量之外，集成電流限制功能可以比利用外部元器件要快得多，并使轉換器更為強健可靠。

使用將所有這些功能都集成的電源轉換IC,設計時間可以被控制得非常短。此外，元器件數量和電源級的成本可以仍然非常低，甚至在采用分立接口電路的情況下，只要DC-DC轉換器能夠被足夠地集成。Power

Integrations公司已經利用它的DPA-Switch產品家族開發(fā)了一種低成本、可靠的PD電源級。基于這種方法的電源級的電路圖如圖3所示。

圖3：基于DPA-Switch器件的PD電源級電路圖

此分立接口電路僅僅需要16個元器件，并已通過美國新罕布什爾州大學的互通性聯(lián)盟(UNH-IOC)的測試。該DC-DC轉換器圍繞Power

Integrations公司高度集成的電源轉換IC(U1)進行設計，并且僅僅需要33個元器件。熱保護、啟動電流源、軟啟動、自動重啟動、UVLO、過壓關斷和MOSET電流感測及限流功能都完全集成到U1之中。220

V集成MOSFET的擊穿電壓(BVDSS)足夠高，150V齊納箝位二極管(VR3)足以保護集成MOSFET漏極節(jié)點免受反激電壓尖峰的干擾。

一個電阻(R5)就使UVLO和過壓關斷功能成為可能，與此同時，四個其它元器件(Q20、R21、R22和R23)降低了UVLO功能的關閉閾值以滿足IEEE802.3af要求。U1的控制引腳是為接收來自IC及輸出反饋而接收電源電流的電流輸入端。反饋信號的丟失會造成U2中斷向U1提供偏置電流，從而使之進入它的自動重啟動保護模式。此外，U1利用集成的MOSFE漏-源極之間的壓降來感測每一個開關周期的漏極(DRAIN)電流。如果漏極電流超過器件的峰值電流限制，集成比較器就會將MOSFET關斷。當與適當設計的變壓器一道使用時，這種電流限制功能排除了變壓器飽和的可能性，使轉換器非常強健可靠。DC-DC轉換器的其余部分是簡單的由電壓模式控制的反激式電路。

本文小結

PoE PD設計工程師正面臨著降低他們的電源級成本而不犧牲可靠性的挑戰(zhàn)。半導體集成是正用于解決這個問題的主要技術，其中有兩種常用方法。雖然接口電路與PWM控制器的集成最初看來是不錯的方法，但是，把PWM控制器和功率MOSFET集成在一起能夠既降低成本又可以縮短設計周期，而同時又不犧牲可靠性。DPA-Switch家族產品為設計工程師提供一種解決他們的PoE PD設計挑戰(zhàn)的有效的解決方案。