圖1:PD向PSE明確自己身份所需的檢測、分類和直通開關(guān)連接電路。

以太網(wǎng)供電方案的提出為電源設(shè)計(jì)師帶來了眾多機(jī)遇和挑戰(zhàn),為此,多家電源管理芯片制造商已經(jīng)開發(fā)出能夠滿足IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的成熟芯片女责。802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了受電設(shè)備(PD)必須如何向供電設(shè)備(PSE)表明自己身份的方法∑崦叮現(xiàn)在,設(shè)計(jì)師已經(jīng)無需使用昂貴的IC即能輕松滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。事實(shí)上,PD必須向PSE明確自己身份的三大功能只需6到16個(gè)低成本分立元件就能很容易地實(shí)現(xiàn)(見圖1的輸入電路)抵知。另外,如果PD的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路采用高集成度的電源轉(zhuǎn)換IC來設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)師就能快速提供安全可靠并且具有低成本墙基、高能效和易制造優(yōu)勢的解決方案。

檢測功能如何實(shí)現(xiàn)

圖1所示的前端電路中的電阻向PSE提供檢測特征阻抗刷喜。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該電阻的值必須在19kΩ到26.5kΩ之間残制。通常選擇接近范圍上限的值(24.9kΩ)以盡量降低該電阻上的功耗。當(dāng)PSE的供電電壓從2.5V跳升至10V時(shí)檢測開始掖疮。在這一加電過程中,流過這個(gè)電阻的電流必須在0.5mA到4mA之間,從而向PSE有效地表明這是PD初茶。

圖2:15W、三輸出PD DC-DC轉(zhuǎn)換器,在5V輸出端采用了同步整流技術(shù)浊闪。(點(diǎn)擊放大圖)

檢測恼布、分類和直通開關(guān)(pass-switch)連接電路是如何工作見圖1。圖1a中,R1向PSE提供特征阻抗,并在上電過程的分類階段(此時(shí)PSE的供電電壓從15V上升至20V)向PSE表明這是Class 0設(shè)備的電路搁宾。一旦施加的輸入電壓上升到30V左右(27V齊納二極管加上R2的壓降),齊納二極管VR1就開始導(dǎo)通電流,從而使R3得到一個(gè)電壓,進(jìn)而打開直通開關(guān)晶體管Q1折汞。

圖1b中,R11用于在檢測階段向PSE提供特征阻抗。元件Q12使谋、Q13整诈、Q14、R14度攘、R15恒晋、R16、U11和VR11組成PD的分類電路,并根據(jù)R16的值將電路確定為Class1崩绑、2或3設(shè)備(見表1)铅夷。VR11可確保分類電路在檢測階段不被激活。Q13寂疏、Q12场暮、R14和R15組成350uA的電流源,向1.24V的參考芯片U11提供偏置電流。

當(dāng)施加的輸入電壓從15V上升至20V時(shí)分類開始進(jìn)行忱徙。PSE根據(jù)這一階段中被吸取的電流值判斷PD的類別迁枪。R16用于設(shè)定由U11和Q14組成的第二個(gè)電流源的電流。對(duì)于Class1缭慈、2和3的設(shè)備,分類電流(ICL)取決于R16的值冲肖。R16的值可以根據(jù)PD的最大功耗從表1中選取。隨著VR11涯捻、Q14和R16上電壓的上升,流過R16的電流也會(huì)持續(xù)上升,直到它上面的電壓達(dá)到1.24V浅妆。此時(shí),U11開始導(dǎo)通,分流流經(jīng)Q14的電流,從而使R16上的電壓保持在1.24V,從而在分類階段保持被電路常數(shù)吸收的電流。

圖3:帶分立PoE接口前端電路的6.6W PD DC-DC轉(zhuǎn)換器障癌。

元件VR12凌外、VR13辩尊、Q11、R12和R13組成直通開關(guān)連接電路康辑。一旦輸入電壓超過30V(27V的齊納二極管加上Q11的柵極-源極電壓(VGS)),VR12就開始導(dǎo)通,R13上獲得電壓,并加到Q11的柵極至源極,使該晶體管打開摄欲。

表1:對(duì)應(yīng)Class 1、2和3設(shè)備的R16值疮薇。

當(dāng)輸入電壓超過45VDC時(shí),VR13會(huì)將Q11的VGS限制為15VDC胸墙。一旦直通開關(guān)(Q11)被打開,R17和Q15就會(huì)關(guān)閉Q14,進(jìn)而關(guān)斷分類電流源,確保在分類階段結(jié)束后盡量降低PD的功耗。

DC-DC轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

DPA-Switch系列高集成度電源轉(zhuǎn)換IC可以配置為返馳式(Flyback)或單開關(guān)前向(Forward)轉(zhuǎn)換器,因此設(shè)計(jì)師可以利用同一DPA-Switch器件開發(fā)不同的解決方案,從成本極低的Flyback轉(zhuǎn)換器到使用同步整流技術(shù)的高效前向轉(zhuǎn)換器按咒。該產(chǎn)品系列包含四種器件,可以輕松改變方案的輸出功率,Power Intergrations公司的PI Expert軟件套件可以幫助設(shè)計(jì)師快速輕松地完成文檔完善的設(shè)計(jì)迟隅。

圖2所示的三輸出前向轉(zhuǎn)換器只需要45個(gè)部件,在PoE輸入電壓范圍(36-57VDC)內(nèi)典型效率為88%。

表2:用于同步整流前向轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的PI X1s電子數(shù)據(jù)表胖齐。(點(diǎn)擊放大圖)

根據(jù)表2所示的電子數(shù)據(jù)表文件,只需四個(gè)步驟即可完成這個(gè)電源轉(zhuǎn)換電路的核心設(shè)計(jì)玻淑。首先,將主輸出電流參數(shù)(IMAIN)設(shè)為3.04A。然后將第二輸出電壓和電流值設(shè)為零,因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)換器是當(dāng)作單輸出電源設(shè)計(jì)的,其總的負(fù)載功耗也是在5V輸出情況下計(jì)算得出的茎冒。下一步是將電流限制減小參數(shù)(KI)設(shè)為50%,從中計(jì)算出X引腳電阻(R2)值為13.38kΩ宫氛。最后,基本層參數(shù)(L)減為1,從而將基本繞組線規(guī)格從27改到28。最終完成的設(shè)計(jì)參數(shù)即可用于選擇輸入和輸出電容值宠璧。

圖3所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路解決方案也是用PI Expert的組件PI X1s電子數(shù)據(jù)表工具設(shè)計(jì)的间渐。該電路被配置為Flyback方式以減少元件數(shù)量、PCB尺寸和電源成本姊黍。它只需35個(gè)元件,在PoE輸入電壓范圍內(nèi)效率在77%以上东哀。

變壓器設(shè)計(jì)

為這些轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)變壓器所需的所有參數(shù)可以在PI X1s電子數(shù)據(jù)表中計(jì)算得到。PI Expert套件中的另外一個(gè)工具PI Transformer Designer接受電子數(shù)據(jù)表的磁學(xué)計(jì)算結(jié)果,并用來創(chuàng)建包含單步變壓器繞組指令和詳細(xì)繞組圖的完整規(guī)格沃铣。該工具可以幫助那些不熟悉磁學(xué)設(shè)計(jì)的工程師在產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)前快速自信地創(chuàng)建相當(dāng)完善的變壓器規(guī)格尘斧。

本文小結(jié)

本文介紹了如何用少量的分立元件實(shí)現(xiàn)能夠滿足IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)PoE PD要求的低成本檢測、分類和直通開關(guān)連接電路,并描述了如何使用高集成度的電源轉(zhuǎn)換IC(如Power Integrations公司的DPA-Switch器件)以及PI Expert Suite設(shè)計(jì)軟件來快速暴彻、簡捷地設(shè)計(jì)低成本DC-DC轉(zhuǎn)換器電路派男。采用這種方法設(shè)計(jì)PD可以顯著地縮短最終產(chǎn)品的上市時(shí)間,同時(shí)確保極低的生產(chǎn)成本。

作者:John Jovalusky

技術(shù)行銷工程師

Power Integrations

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