TI提供省去外接电源的以太网路电源架构Power over Ethernet

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路埠获取功率，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

以太网路供电 (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、收银机等产品。PoE借由以太网路连线来传输电源。在 PoE 供电网络中，由供电端设备 (power source equipment, PSE) 提供电源，在以太网路连线产生 44 - 57 V 的输出电压；在以太网路连线的另一端，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路供电标准，不过现在受电端设备可用的功率，在单一以太网路连线的情况下限制在 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元件公差。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）共用一个通用的一次侧（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用同一回路 (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。初级金氧半电晶体（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。

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