如何由以太网络供电获得更大功率

摘要

    本文以多种电源电路为例，说明如何由两个或两个以上的以太网端口获取功率，文中将概括说明每种电路，以及实际运作时面对的部份设计问题。

简介

    以太网供电 (Power over Ethernet, PoE) 已经是一种普遍的概念，并被应用于网络电话、保全监控系统、收款机等产品。PoE藉由以太网联机来传输电源。在 PoE 供电网络中，由供电端设备 (power source equipment, PSE) 提供电源，在以太网络联机产生 44 - 57 V 的输出电压；在以太网联机的另一端，受电端设备 (powered device, PD)会消耗这些功率。虽然目前正在定义较高功率的以太网络供电标准，不过现在受电端设备可用的功率，在单一以太网联机的情况下限制在 13W 左右。遗憾的是，这样的功率往往不足以支持复杂的应用，因此某些高功率的受电端设备，需要将多个连接埠的功率转换为可用电压，并与 48V 输入电压的电流隔离。目前有多种技术，可由多重输入来源提供隔离的功率转换，简介如下。

下降法

    DC/DC并联电源普遍使用的一项技术，就是所谓的下降法。如果并联电源的输出电压降低，负载电流升高，并联电源将会分享电流。这种方式不需要在电源之间通讯，也不会出现单一错误失效的情形，而且需要的附加零件非常少。如果使用电流模式控制，只需要限制控制回路的直流电增益，就能产生与负载电流的增减成正比的输出电压下降。如果需要更高的精确度，可以使用如图 1 的电路。这个电路使用差动放大器 (U1B) 测量输出电流，并将误差注入补偿放大器 (U1A) 的调节回路中，只需要加入几个电阻以及一个放大器，就可以达到自动电流分享。

图 1：下降法需要增加的零件很少

    遗憾的是，下降分享方式并非　十分精确。图 2 为最糟状况下的变动程度，其中电阻公差为 1%，参照公差为 1.5%，总下降为 10%，此设计的额定设定值为 5V，变动程度为 ±5 % 的下降幅度。最小与最大曲线显示在极限状态下的组件公差。如果将这些电源以并联方式连接，在没有负载的情况下，一般会由输出最高的电源调节输出电压。如果电源使用如图 1 所示的二极管调节，最低输出的电源将不会输出任何电流。随着负载电流增加，输出电压开始下降，由具有最高输出电压的电源提供所有电流，直到输出值下降至 5.25V，之后输出第二高的电源开始提供电流。以上述假设的最差情况公差来看，在最低输出电压电源开始作用之前，第一个电源已提供 70 % 左右的输出功率，这种现象并不理想，因为不够可靠，不过在某些状况下可能可以接受。随着负载电流进一步增加，第一个电源可能到达极限，之后由剩余的两个电源负责增加电流，从而达到全功率操作。

    具有同步整流功能的电源架构，可以让电源供应或吸入输出电流，这对于此种控制方法会造成很大的问题。在极端的情况下，单一电源可能会试图调节高电流端与低电流端。如果在没有负载时发生这种情况，有些电源会供应电流至输出，同时有些电源则会由输出端吸入电流，这样会从某个电源获得功率，再馈电至第二个电源，而不会将功率传送至负载；因此建议在零安培时停用同步整流。

图 2：下降法的最差电流分享相当糟糕。

交错式返驰

    平衡多重输入功率的另一项技术为交错法。交错法和下降法一样，它针对每个输入使用不同的功率级，并将电源供应至一个共同输出。和下降法不同之处，在于交错功率级（或称相位）共享一个通用的一次侧（primary side）控制器，这种方式可以降低成本，每个功率级也可在反相位（out of phase）时同步。同步可以降低输出电容器的涟波电流，因此可使用较小的输出滤波器。在交错法中，所有功率输入必须共享同一回路 (return)，因此在某些应用中无法使用这种方法。

    许多脉宽调变 (PWM) 控制器专门针对交错法进行设计，如果只需要两种相位，可以使用推挽式控制器（push-pull controller）执行交错法，以大幅降低成本。图 3 为二相位交错式返驰电源，使用类似 UCC2808 的推挽式控制器，这种芯片会限制每个相位的负载周期至 50%，并将两个功率级以 180 度的反相位方式进行转换。这种推挽式控制器使用峰值电流模式控制，可以让两种相位保持在接近相同的峰值电流值。在非连续返驰中，每个相位的输出功率，与初级峰值电流的平方值成正比，因此可自然平衡由两个输入电源获得的功率。这种技术可以使两个输入电源的功率差距缩减到 5% 以内。初级金氧半晶体管（MOSFET）的切换延迟是造成不均衡状态的主要原因，在两个输入电压不相等时情况最糟。由控制器所提供的峰值电流限制，会限制由二个输入端获得的最大功率，而负载周期箝位会在欠压与失效状况下限制输入电流。

图 3：推挽式控制器驱动交错式返驰

使用二次侧负载分享控制器来分享功率

    在多个输入间分享功率的第三种方式，是透过二次侧负载分享芯片来实现。采用此方式，具有远程感测能力的独立电源，不管数量多寡，均可共享同一输出。负载分享 芯片 常与电源模块共享，请参考图 4的范例。一个分流电阻被用来测量每个转换器所供应的电流。因为公差与寄生阻抗，其中一个电源将供应较多的电流，此电源会作为主电源，并将在负载分享 (LS) 总线上设定电压，从属单元使用此负载分享总线电压作为输入参考，以控制自己的输出电流。如果要调整从属单元，可以在从属转换器的远程感测导线上注入电压，如此可从主电源控制负载的输出电压，保持良好的负载调节。使用这种主／从方式，可以产生非常好的电流分享准确度，一般来说在完全负载时优于 3%。

    由于每个并联电源都需要一个负载分享控制器，以及外部的分立组件，因此这种方法的组件数量与成本略高于下降法与交错法。此外，不建议同时使用负载分享控制器与同步整流器，因为可能在启动或加入、移除个别电源时发生问题。

图 4：UCC39002 负载分享控制器可以并联独立电源。

主／从隔离一次侧电流分享

    另一项可使用于并联电源的技术，就是感测一个初级电流（主），然后与另一个电流比较（从）。不论使用光耦合器或电流变压器，都可以在电源间传输电流信息，同时维持隔离状态。电流变压器是最佳选择，因为可以用最低的成本达到良好效能。此外，相较于光耦合器，电流变压器具有良好的准确度。电流变压器的准确度由圈数比公差与电阻公差所决定，前者优于 2%，后者数值一般为 1%。光耦合器的准确度则依赖电流转换率公差，最好的状况为 30%。

结论

    表 1 显示四种负载分享方式的比较结果。下降法是最简单的方式，也是成本最低廉的方式之一，不过效能最差，但不会发生单点失效情形。一般而言，效能最佳的技术是负载分享控制器，也是最昂贵的解决方案。使用交错初级控制器或光耦合器／电流变压器技术，可以在成本与效能间取得平衡。此外像是同步整流器的使用、以太网络供电输入数目、以太网络供电输入是否需要彼此隔离，这些额外因素都需要考虑，才能决定应该选用何种方法。为你的应用使用适当的技术，可由以太网络供电获得最大功率。

表 1：负载分享控制器效能最佳，但是成本较高

 复杂程度成本

共同功率
回路

单点故障负载调节负载分享准
确度下降法简单$$否否差差交错法一般$是是非常好良好负载分享 IC一般$$$否是非常好非常好光耦合器 / 电流
变压器电流分享复杂$否是

非常好