在預(yù)算內(nèi)最大限度地提高 PoE PD 效率

POE （Power Over Ethernet）指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動(dòng)的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。POE技術(shù)能在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時(shí)保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)POE的新標(biāo)準(zhǔn)，它在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，也是第一個(gè)關(guān)于電源分配的國際標(biāo)準(zhǔn)。為了在新的產(chǎn)品應(yīng)用中奪取和保持市場占有率，降低PoE受電設(shè)備（PD）中電源級(jí)所占用的成本而同時(shí)不犧牲可靠性是至關(guān)重要的。

反激式是以太網(wǎng)供電 (PoE) 受電設(shè)備 (PD) 設(shè)計(jì)中最常用的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為無線接入點(diǎn)、IP 電話和安全攝像頭等許多基于以太網(wǎng)的產(chǎn)品提供高達(dá) 25.5W 的功率。

圖 1 顯示了一個(gè)簡單的反激式功率級(jí)。當(dāng)初級(jí)開關(guān)打開時(shí)，反激式首先對(duì)磁化電感充電并將能量存儲(chǔ)在電源變壓器的氣隙中。當(dāng)初級(jí)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，勵(lì)磁電感使電壓反向并使二極管正向偏置，從而將能量輸送到負(fù)載。

圖 1：反激式轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

使用反激式的好處是它的簡單性和易于設(shè)計(jì)，這使其成為一種低成本的解決方案。然而，由于高峰值和 RMS 電流，反激中的 MOSFET 和輸出整流二極管具有高傳導(dǎo)損耗，從而導(dǎo)致效率相對(duì)較低。適用于 POE 應(yīng)用的4 類成本優(yōu)化反激式轉(zhuǎn)換器 TI 設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)(PMP6812) 演示了如何在低成本、簡單的二極管整流反激式解決方案中使用TPS23754 PoE PD，以在 25W 下實(shí)現(xiàn) 86% 的效率。請(qǐng)注意，參考設(shè)計(jì)具有 12V 輸出，其效率將高于 5V 輸出。相比之下，5V 輸出二極管整流反激在此功率范圍內(nèi)可產(chǎn)生約 80% 的效率。

TPS23754和TPS23756設(shè)備具有以太網(wǎng)供電（PoE）組合。電源-設(shè)備（PD）接口和電流模式DC-DC控制器，專為隔離轉(zhuǎn)換器優(yōu)化。PoE接口支持IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)。
TPS23754和TPS23756支持多種輸入電壓O型環(huán)選項(xiàng)，包括最高電壓、外部適配器首選項(xiàng)和PoE首選項(xiàng)。這些功能允許設(shè)計(jì)者確定在所有條件下哪個(gè)電源將承載負(fù)載。
PoE接口具有新的擴(kuò)展硬件分類，這是根據(jù)IEEE 802 3at與大功率中跨電源設(shè)備（PSE）兼容所必需的。檢測特征引腳也可用于強(qiáng)制PoE電源斷電?？墒褂脝蝹€(gè)電阻器將分類編程為任何定義類型。
DC-DC控制器具有兩個(gè)具有可編程死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)柵極驅(qū)動(dòng)器，這簡化了有源箝位正激變換器的設(shè)計(jì)或高效反激拓?fù)涞膬?yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器。如果需要單個(gè)MOSFET拓?fù)?，可以禁用第二個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器?？刂破鬟€具有內(nèi)部軟啟動(dòng)、自舉啟動(dòng)源、電流模式補(bǔ)償和78%的最大占空比。一個(gè)可編程和同步振蕩器允許設(shè)計(jì)優(yōu)化的效率，并簡化了控制器的使用，以升級(jí)現(xiàn)有的電源設(shè)計(jì)。精確的可編程消隱（具有默認(rèn)周期）簡化了通常的電流檢測濾波器設(shè)計(jì)權(quán)衡。
TPS23754裝置具有15-V轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，而TPS23756裝置具有9-V轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)。TPS23754-1將PPD引腳替換為無連接，以增加引腳間距。

在同步反激式轉(zhuǎn)換器中，二極管被低 RDSon MOSFET（圖 1 中的 S同步）取代，以顯著降低傳導(dǎo)損耗，從而大大提高效率，這是大功率 PoE 應(yīng)用所需要的。同步反激的常見實(shí)現(xiàn)是一種自驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌螂娫醋儔浩魈砑右粋€(gè)繞組以生成同步柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如，TPS23751EVM是一種自驅(qū)動(dòng)同步反激式 PoE PD 解決方案，它使用TPS23751在 25W 時(shí)實(shí)現(xiàn) 90% 的轉(zhuǎn)換器效率。

隨著具有特殊功能（例如，安全攝像頭的傾斜、平移和縮放）的 PoE 設(shè)備變得越來越復(fù)雜，傳輸?shù)?PoE PD 的功率（盡可能多的功率）必須轉(zhuǎn)換為負(fù)載的功率。因此，任何額外的效率百分比都是可取的。

無需切換（雙關(guān)語）到有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器等不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)同步反激式是一種可行的解決方案。DC/DC 控制器的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（很多時(shí)候位于 PoE PD IC 內(nèi)部）不是在反激變壓器上使用額外繞組，而是通過柵極驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)同步 FET。現(xiàn)在，您可以消除自驅(qū)動(dòng)方法中存在的直通損失量。結(jié)果是整體上更高效的反激式設(shè)計(jì)。

適用于 PoE PD 應(yīng)用的4 類高效驅(qū)動(dòng)反激式轉(zhuǎn)換器 (5V/5A) TI Designs 參考設(shè)計(jì)(TIDA-00617) 是一種驅(qū)動(dòng)同步反激式 PoE PD 解決方案，它使用 TPS23751 在 25W 下實(shí)現(xiàn) 93% 的轉(zhuǎn)換器效率。

圖 2：在 PoE PD 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的三種反激式拓?fù)涞南鄬?duì)效率

圖 2 顯示了三種不同反激配置的 4 類功率水平的相對(duì)效率。