用于以太网供电的直流/直流转换器

　　本文提供了一个低成本、高效率的（87%）隔离直流/直流变换器的设计和试验结果，该变换器可在用于以太网供电（PoE）应用的受电端设备（PDs）中使用，符合IEEE标准802.3af。

　　IEEE标准802.3af 在2003年6月被批准，它定义了在现有的标准以太网线上进行低功率（<15.4W）[低电压（-48Vdc）]分配的规范和协议。未来几年内，PoE有望成为所有高端交换机和路由器的标准组成。例如，到2007年时，诸如IP电话(VoIP)和无限局域网的应用有望增长到一千八百万个单位（来源：iSuppli）。此外，PoE还可以消除在边远地区安装交流适配器和交流插座的必要。
　　供电端设备（PSE）是提供电源的设备，而受电端设备（PD）是位于网线另一端能够接受电源的网络辅助设备。 这些受电端设备可以是网络摄像头，IP电话机，无限局域网接入点以及其他装置。下面我们来探讨 变换器的设计。
 

　　为什么用逆向变换器？

　　逆向变换拓扑一直是设计者用于低功率（50W以下）隔离变换器的传统选择。它仅仅需要一个磁性元件和一个输出整流器，所以它有简单和低成本的优势。尽管如此，还是可以获得很高的效率。

　　用于受电端设备的变换器的基本规格为：输入电压在36V~57V之间，5V输出电压和最大2.2A输出电流。
 

　　设计困难

　　低功率变换器是很难获得高效率的，因为偏置和控制电路功率损耗相对于输出电压而言较高，在低负荷运行期间有较大的影响。在我们的示例中，该问题看得更清楚，因为符合PoE的接口电路中的偏置功率损耗有所增加。仔细配置，选择变压器和开关型金属氧化物半导体场效应晶体管（Mosfet），可以极大地降低功率损耗。此外，低负荷下的开关频率降频技术可以用于节约电能。
 

　　符合IEEE标准802.3.af的接口

　　当一个受电端设备插入一个PoE系统时，会依次出现三个不同的阶段；它们是检测、分类和供电接通，它们还应符合一定的时序关系。

　　PSE接受PD的检测标准是发现有效的信号电阻。使用的信号电阻为24KΩ，它位于PD检测范围之内。为了节省功率损耗，当输入电压高于 30V 时我们将该电阻断开，这样可以节省大约 85mW 的功率。

　　分类 ：0类(缺省的最大功率类)，不需要向 PSE 提供任何额外信息，因此电路简单。

　　供电接通电路：PSE 最低供电电压为 44V，但是为了解决以太网电缆、连接器、传输线变压器和整流器中的损耗问题，PD 电源应能够在最低电压 36V 时工作。该电路在检测/分类阶段将 PD 与 PSE 隔离开。实际上，这是一种欠压锁闭机制，当输入电压高于 30V 时，将打开Mosfet Q1。

　　偏置电路、PWM启动和软启动功能

　　电源最终从 PSE 释放后，由R21和Q5构成的调节器向控制电路供给初始输入电压，电流为 PWM  IC 去耦电容器充电，直到达到其UVLO电平，然后PWM启动开关操作。

　　一旦它启动开关操作，通过辅助绕组形成的电压将降低Mosfet Q5的 Vgs电压，直到其关闭。这将停止电流流经泄漏电阻器，从而节省了一定的功率损耗。当引脚VCC上的电压一达到VCC（启动）电平11V，IC PWM控制器就会激活变换器。为了防止变压器在切换期间出现紊乱，变压器峰值电流将通过软启动功能来缓慢提升。

　　变压器设计

　　逆向变换器中的变压器大概是该设计中最关键的部分。要做的第一个决定是允许的最大工作占空比（本例中小于 50%），它将给定所需的变压比。其次，我们选择变压器磁感应系数，以实现在中高负荷情况下能够连续输送。作为那些设计参数的结果，我们得到初级侧和次级侧的电流组合，它们将给出最佳工作点或"有效点"，使损耗最低。

　　电源设计者都知道漏电感对额外的功率损耗和Mosfet漏极电压尖脉冲在开关时的增加有多大作用。因此，漏电感应最小化在本例中用来减少漏电感的技术是将初级绕组交错分成两半。

　　广泛应用的 EFD20（经济扁平设计）芯型为电源的微型化提供了巨大帮助。如需更多信息，参见"Magnetics Design" Philips Semiconductor Applications. 1995。变压器的最终规格包括了一个EFD20/AL250铁氧体磁芯，和绕组Np=26，NP118以及Ns=8。为了优化设计，有必要定制一个元件。在当前设计中，Pulse公司提供了定制部件。

　　PWM控制器

　　控制部分包括 飞利浦 TEA1506 PWM 控制器 IC 和反馈补偿电路。

　　GreenChipTM II是第二代绿色开关模式电源 (SMPS) 控制 IC。高集成度可以使外部元件数减少，使电源成本更低。之所以选择该 PWM 控制器 IC，是基于其低成本和简单易用。由于是用在隔离变换器中，因此该 I C 不需要内含误差信号放大器。

　　这种专门的内置绿色功能可以在所有功率水平使效率达到最优。当 IC 配置为工作于连续输送模式时，控制器将工作在固定频率模式 (175kHz) 的高中功率水平。在低负荷条件期间，随着功率水平下降，控制器将转为不连续模式，由放大器的设计、实际输入电压和电流检测电阻决定交叉点。随着输出功率减小，开关频率会降低。

　　由于其良好的线路调整行为，电流控制模式被采用。通过与初级电流信息进行比较，内部转换控制电压调节导通时间。初级电流通过外部电阻检测。

　　过流保护（OCP）：每周期峰值漏极电流限制电路在前导消隐时间之后激活，该消隐时间提供了电流检测噪声免疫功能。

　　过热保护（OTP）：IC将进入重复的安全重启模式。

　　开关MOSFET

　　为了获得最高的效率和易于驱动，显而易见的解决方案是从 PWM IC 的输出引脚直接驱动一个 N 沟道Mosfet，因为这样不需要使用外部驱动器。Mosfet的选择应基于开关损耗和传导损耗之间的折衷来确定，以使总损耗达到最小。本例中使用的200V Mosfet为SO8封装的飞利浦 PHK4NQ20T。该200V Mosfet提供了大于80%的电压降额因子来提高可靠性。由于在关闭时仅有相当小的电压尖脉冲和阻尼震荡，没有必要使用缓冲器，从而只有很少的浪费，并且电路设计得到简化。

　　构建参考设计

　　按照图2构建了一个参考设计演示板，除了输入/输出引脚和测试点之外，全部采用表面安装元件。它用标准的两层1oz铜箔厚度的FR4 PCB制造。所有的功率元件在板的上层；下层包含大多数控制电路。

　　测得的效率

　　从图3可以注意到，由于采用降频和脉冲跳过技术，在低负荷特别是无负荷时获得了很高的效率。结果优于前面的估算；差异大部分来自对Mosfet损耗的保守估计。变换器在更低和更高输入电压情况下获得了相似的效率。

　　结论

　　通过仔细挑选元件，可以为PoE供电设备构建一个不但具有简单和成本低的优势，同时还具有体积小和效率高等优点的直流/直流变换器。