單芯片解決方案的以太網(wǎng)饋電系統(tǒng)設計

由于利用以太網(wǎng)饋電的電子設備無需倚靠交流電插座提供供電，而且系統(tǒng)的整體成本也較低，因此以太網(wǎng)饋電解決方案越來越受歡迎。對于網(wǎng)絡電話來說，采用不斷電電源供應 (UPS) 不但可以保證供電穩(wěn)定可靠，而且較少出現(xiàn)電源浪涌、盜用、供電中斷或切斷的情況。此外，由于 RJ-45 電源連接器在世界各地廣泛使用，因此世界各地采用以太網(wǎng)饋電技術(shù)的電子設備都能兼容，而且符合以太網(wǎng)饋電要求的電子設備還有可靈活管理及遠程通電/斷電的優(yōu)點。根據(jù)市場調(diào)查公司 Venture Development Corp.  的調(diào)查顯示，符合以太網(wǎng)饋電要求的集成電路的全球銷量估計會由 2004 年的 1.33 億顆增至 2007 年的 2.46 億顆。
 
受電設備 (PD) 只要采用以太網(wǎng)饋電技術(shù)，便可通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)電纜獲得電源供應。供電設備 (PSE) 預先準確測量受電設備，以確保該設備符合有關(guān)標準的規(guī)定。若受電設備符合標準，供電設備便會為其提供 48 伏 (V) 的供電。(參看圖 1)

可與 IEEE 標準兼容的受電設備的操作模式

美國的電氣及電子工程師學會 (IEEE) 已于 2003 年 6 月通過采納有關(guān)以太網(wǎng)饋電產(chǎn)品的技術(shù)標準。IEEE802.3af 技術(shù)標準有多個優(yōu)點，例如規(guī)定舊式設備及符合以太網(wǎng)饋電要求的設備同樣可以在安全的情況下獲得供電，電纜的原有結(jié)構(gòu)可以保留下來，而供電時不會令數(shù)據(jù)素質(zhì)下降。IEEE 學會已就這方面的技術(shù)制定相關(guān)的標準，例如饋電網(wǎng)必須采用內(nèi)含兩對或四對雙扭銅線的標準第 5e 類 (Cat 5e) 以太網(wǎng)電纜，而且可以輸送 48 伏的直流電，供電量分為 4 類，以每端口可獲得的供電量劃分，最低供電為 4W，而最高供電則為 15.4W。 

供電設備會先測量電纜的阻抗 (特性確認)，以便通過這樣的檢測確定受電設備是否已真正連線。若阻抗介于 23.75kW 與 26.25kW 之間，供電設備便可斷定受電設備已真正連線。

若電壓超過 23 伏，有關(guān)技術(shù)標準規(guī)定必須采用欠壓鎖定 (UVLO) 功能，以免出現(xiàn)不良特性確認電阻，以及確保在輸入電容器獲得全面充電而穩(wěn)壓輸出開始提供之前有足夠的等待時間，直至受電設備獲得全面供電。另一方面，供電設備也可取得受電設備的分級電流，以便知道該連線設備所需供電的類別 (參看圖 2)。

(圖 2：標稱電壓的檢測、分級及輸入)

LM5070 芯片的特色及優(yōu)點

LM5070 高電壓以太網(wǎng)饋電控制器采用小巧的 16 管腳封裝，可以利用脈沖寬度調(diào)制電流模式進行控制，而且具備組建 PoE 輸電系統(tǒng)所需的一切功能 (參看圖 3)。

(圖 3：LM5070 受電設備的系統(tǒng)區(qū)域)

美國國家半導體的 LM5070 控制器芯片具備很多獨特的功能，令這款芯片很容易融入現(xiàn)成的設計之中：

-    內(nèi)置的高性能電流模式控制器設有完全符合 IEEE 802.3AF 標準的受電設備接口；
-    用戶可自行設定特性確認電阻、欠壓鎖定 (UVLO) 閾值、浪涌電流及認定的分級電流；
-    浪涌/故障電流限幅保護、可自動重試的每周期電流限幅以及過熱停機等功能；
-    欠壓鎖定閾值及磁滯：系統(tǒng)設計工程師可以利用兩個外接電阻分別設定欠壓鎖定跳轉(zhuǎn)點及磁滯；
-    內(nèi)部供電順序：PoE 受電設備接口與直流/直流轉(zhuǎn)換器可在 LM5070 芯片之內(nèi)互相通信；
-    隔離或非隔離式直流/直流電源供應器配置：非隔離轉(zhuǎn)換器采用高精度電壓參考電路與誤差放大器集成一起的配置；
-    為隔離轉(zhuǎn)換器設計的光耦合器晶體管提供上拉功能；
-    切斷特性確認電阻：完成受電設備的檢測之后，25kW的特性確認電阻便會被切斷，以免降低功率轉(zhuǎn)換效率。

典型的以太網(wǎng)饋電直流/直流轉(zhuǎn)換器設計：

由于 LM5070  控制器芯片采用高度集成的技術(shù)，因此不但可以支持符合 IEEE802.3af 標準的系統(tǒng)設計，而且只需極少外接元件便可提高系統(tǒng)的性能。圖 4 顯示一款只需加設極少外接元件的非隔離回掃輸出電源供應器，例如開關(guān)式金屬氧化半導體場效應晶體管 (MOSFET) (Si4848, 150V/3A)、設有初級及次級線圈的變壓器、為輸出電壓提供整流的二極管以及輸入與輸出電容器等幾顆重要的基本元件便在背后為這款電源供應器提供支持。

(圖 4：LM5070 是最小化非隔離輸出 “0” 級別電源供應器的解決方案。)

回掃連續(xù)模式的線路布局比較適宜采用快速的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 電流模式控制器，因為這種控制器可以控制輸入電流，并為其設定限幅，而且還可穩(wěn)定同一電路之內(nèi)的輸出電壓。只要調(diào)節(jié)功率晶體管的占空度，便可確定線路及電流的瞬態(tài)響應。占空度大小取決于輸出電壓誤差及鋸齒波形，后者由流入外接感測電流電阻的初級線圈電感電流所產(chǎn)生。

這款控制器只要將電流感測信號與內(nèi)部參考電壓加以比較，便可為輸入電流設定每周期的電流限幅。若占空度超過 50%，次諧波振蕩會成為潛在的不穩(wěn)定因素，但只要為電流斜坡信號提供內(nèi)部斜率補償，即使占空度超過 50%，不穩(wěn)定的問題也不會出現(xiàn)。

(圖 5：設有可編程級別設定及可編程浪涌保護電流的隔離回掃電源供應器)

圖 5 顯示設有可編程級別設定及可編程浪涌保護電流的隔離式以太網(wǎng)饋電解決方案。此外，為了加強故障電流保護功能，這個解決方案還加設了 3 個不同的電流限幅及過熱保護功能：

(1)    可編程設定的控制器電流過高保護功能可以抑制啟動時產(chǎn)生的電流尖峰。
(2)    若流入主功率 MOSFET 的直流電上升至超過 375mA，電流限幅放大器可以令場效應晶體管出現(xiàn)飽和，使漏極 (RTN) 上升。只要 RTN 上升至 2.5V wrt VEE 以上，而 PowerOK = 0，便會觸發(fā)軟啟動，而芯片也會不斷嘗試重新啟動。
(3)    過熱限幅功能提供多一個安全保障，以免系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，或出現(xiàn)其他超越安全警戒的事件。

同時，Coilcraft 公司已為 LM5070 芯片開發(fā)了多款采用表面貼裝封裝的變壓器，以確保系統(tǒng)能充分發(fā)揮其效率。

如欲了解更多有關(guān)美國國家半導體電源資料，請瀏覽：http://www.national.com/see/apads/c4pwr.cgi