【導讀】本文將綜合描述 PoE PD 的設計，討論系統設計人員面臨的挑戰，還將介紹如何利用 MP8017 （集成型 PoE PD 和反激式電源變換器）優化 PoE PD 的設計，并進行驗證。
什么是以太網供電 (PoE)？
以太網供電 (PoE) 解決方案可以在以太網電纜傳輸直流電源的同時將數據并行傳輸至IP 終端設備，無需更改現有的以太網標準電纜連接。在一根電纜上同時傳輸電力和數據不僅簡化了安裝、提高了可靠性，還通過減少線纜降低了成本。PoE 設備因此成為機房和辦公室的常見選擇，也是不便新裝電源線的舊建筑物的理想選擇。
本文將綜合描述 PoE PD 的設計，討論系統設計人員面臨的挑戰，還將介紹如何利用 MP8017 （集成型 PoE PD 和反激式電源變換器）優化 PoE PD 的設計，并進行驗證。
PoE的演變 1999 年，在IEEE 和以太網聯盟的努力之下，PoE實現了標準化，其目標是確保更廣泛連接的受電設備 (PD) 和供電設備 (PSE) 之間的互操作性。首個標準 IEEE 802.3af 于 2003 年獲得批準。該標準規定，電源必須能夠通過單根電纜中的備用線對或數據線對進行傳輸。最新的 PoE 標準為 IEEE802.3bt (90W)，它涵蓋了 5G 小型蜂窩、顯示單元和 AP 路由器等更多應用。圖 1 所示為 IEEE PoE 標準的發展時間線，最早從 1999 年≤10W 的標準開始。
圖 1：PoE 標準演進史
PoE功率分級
根據所需的功率，PoE 設備被分為不同的級別（Class 0 至Class 8，共9個級別）。802.3af 標準涵蓋了 Class 0 到 Class 3，電壓范圍在 37V 和 57V 之間，輸出功率達 15.4W。這類設備被推薦用于傳感器和簡單攝像頭。
802.3at 標準（也稱為 PoE+）引入了 Class 4等級，在同等電壓范圍內將輸出功率提高到了30W，但僅兼容 PoE+ PSE。這類設備可用于復雜攝像頭、LCD 顯示器和平板電腦。
最新的標準802.3bt （也稱為 PoE++）則引入了 Class 5 到 Class 8等級，輸出功率在 45W 到 90W 之間。這類設備可以支持筆記本電腦、電視和建筑物中的電氣系統。圖 2 對這些功率等級及其相關輸入電壓、輸入功率和輸出電壓進行了總結。
圖 2：PoE 功率分級
PoE工作原理
網絡電纜由成對的雙絞線組成，其中包括能夠發送信息的數據線對和稱為備用線對的未使用線對。PD 和 PSE 成功通信的過程被稱為握手。握手的過程包括以下主要步驟：
1. PD 檢查: PSE向PD電阻（24.9kΩ）發送一個測試電壓（<10.1V）；若阻抗值匹配，則表明為一個標準 PoE 設備。
2. 功率分級: PSE發送一個電壓并獲得電流反饋，以確認PD的功率等級（從Class 1到Class 8）。
3. 供電: PSE的輸入電源提升至54V左右。
4. 穩定電源和監控器: 電源穩定在54V左右，同時根據分級結果限制最大功率。
5. 斷連: 如果PD斷開，則PSE停止供電。
圖 3 顯示了PSE 和 PD之間的整體通信結構。
圖 3：PSE 和 PD 通信的硬件結構
PSE 與 PD 握手時，電壓電平的變化情況如圖 4 所示。
圖 4：握手期間輸入電壓的變化情況
PoE 解決方案的設計挑戰
PoE 設備面臨的首個設計挑戰就是效率。盡管 PoE 設備綜合了電源與數據的傳輸，但如果設計不當，效率會比較低。因此，設計人員必須優化電源電路以降低元件阻抗，并選擇最佳變壓器以提高效率。
另外，大量的功率傳輸會產生可聞噪聲，從而影響設備滿足現代 EMI 標準的能力。如果不加以規范，EMI 會導致周邊設備性能降級并縮短系統的生命周期。功率高的 PoE 設備體積也更大，對空間受限的應用而言，可能會占據寶貴的空間。
圖 5 顯示了一個典型的 15W PoE PD 電源電路。由于所需元件數量較多，電路復雜且龐大。光耦合器和 TL431 穩壓器單獨組成其電路系統，其中也包含眾多元件。
圖 5：帶光耦反饋的傳統 15W PD 電源電路
優化 PoE 解決方案
有六種簡單的方法可以優化傳統電路（見圖 6）。
圖6: 優化PoE PD設計
下面將詳細描述這些方法。
1. 全集成: 對 PoE 設備而言，全集成解決方案是實現緊湊方案的絕佳方法。我們常對PoE 解決方案提出這樣的疑問：系統能否包含 PD 和 DC/DC 變換器？方案能否包括熱插拔 MOSFET 和功率 MOSFET？
這兩個疑問的答案都是肯定的。通過集成 PD、變換器和 MOSFET，設計人員可以顯著減小 PCB 尺寸并縮短設計周期。集成解決方案還可以降低BOM 成本，因為簡化的解決方案需要的外部元件也更少。
2. 反饋電路: 傳統反激電路需要穩壓器、光耦反饋網絡、環路補償和軟啟動電路。通過圖 8我們可以看出這些電路的復雜性，例如傳統的 SSR 反饋電路。隨著反激技術的發展，后來出現了原邊反饋法（第一代 PSR 反饋）；但這種類型的電路通常包含輔助繞組。
The MP8017 PoE PD 解決方案采用了一種新的反饋方法，稱為第二代PSR 反饋。該系統不需要輔助繞組或光耦合器（見圖 7），它利用 SW 引腳對輸出電壓 (VOUT)進行采樣。這種方法具備的優勢如下所述：
○ 變壓器不需要輔助繞組，從而簡化了設計電路；
○ 變壓器成本降低；
○ 額外的電源繞組可以纏繞在同一磁芯上，以降低阻抗并提高效率。
圖7: 反饋解決方案的組成
這種先進的反饋方法簡化了電路并減小了BOM。
3. 變壓器設計: 在大多數設計中，變壓器都是電路中物理體積最大且最昂貴的組件。傳統上， 12W 應用采用EP13 變壓器。但如果優化反饋電路并消除對輔助繞組的需求，設計人員就可以實現高開關頻率 (fSW)，從而減少變壓器的匝數。這意味著可以用EP7 變壓器替代 EP13，將占用空間縮小至不到三分之一（見圖 8）。
圖8: EP13 變壓器vs. EP7 變壓器
4. 輸出電容: 傳統PoE設備的典型頻率約為250kHz，需要電解電容來降低輸出紋波。提高 fSW 可以減少輸出電容的數量。例如，當 fSW 為 650kHz 時，一個 12W 的應用只需要兩個 0805 陶瓷電容器。此外，采用連續導通模式 (CCM) 控制，變壓器的副邊峰值電流也更小。較小的峰值電流可進一步降低由輸出電容ESR 和電路板電阻引起的輸出紋波。圖 9 對CCM 和非連續導通模式 (DCM) 下的副邊電流進行了比較。
圖9: DCM 和CCM模式下的變壓器副邊電流比較
5. EMI 設計: 所有的相關設備都必須通過 EMC 標準，但優化設備的EMI性能并非易事。 反激式解決方案通常需要一個共模 (CM) 電感來提高 EMI 性能，但這種電感價格高昂并且需要占用寶貴的 PCB 空間。有兩種方法可以在無需使用 CM 電感的情況下解決 EMI 問題：支持擴頻頻率抖動；創建更平滑的 SW 波形。當頻率抖動時， fSW 在其標稱范圍內波動。MP8017 通過M/D 引腳支持頻率抖動功能。其頻率抖動固定在±6%的幅度內，調制頻率約為9kHz。圖 10 展示出頻率抖動對噪聲尖峰的降低作用。
圖10: 無頻率抖動 vs. 頻率抖動
優化 SW 波形是改善 EMI 的另一種方法（參見圖 11）。
圖11: 普通波形 vs. 優化波形
MP8017 采用上述方法讓EMI 性能得到了極大的改善，并在不降低 EMI 性能的情況下避免了采用 CM 電感。
6. 有源緩沖器: 在反激應用中，電阻電容二極管（RCD）緩沖器被廣泛用作鉗位電路，以降低SW的峰值電壓并吸收漏感能量。 但這種電路存在兩個問題：
○ SW 會產生諧振，這會對 EMI 性能產生負面影響；
○ 漏感能量消耗會降低系統效率。
有源鉗位控制方法可以緩解這些問題（參見圖 12）。這種方法采用功率 MOSFET 來代替傳統 RCD 緩沖器中的電阻和二極管。MP8017 等器件利用它實現了副邊調節 (SSR)，從而提高了效率。
圖12: RCD緩沖器 vs. 有源緩沖器
通過上述的六種方法，與傳統電路相比，最終電路將得到極大的簡化（參見圖 13）。
圖13: 優化后的電路
結語
PoE 是一個創新的概念，它不斷改善以滿足現代技術持續增長的電力需求。盡管它具備一定的可靠性，但設計人員仍然很難保持解決方案的高效率，不過，我們可以通過一些優化方法來緩解這些問題。 MP8017 選用了最佳變壓器、緩沖器和輸出電容； 它同時具備頻率抖動功能，并將組件集成到單個芯片上；在不影響性能的情況下保證了解決方案的高效率。
來源：MPS
作者：Vince Wen
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