兼容于IEEE 802.3af標準的受電設備電源設計

兼容于IEEE 802.3af標準的受電設備電源設計

摘要：介紹了MAXIM公司推出的以太網供電（POE）系統中的受電設備（PD）電源設計方案，該方案符合IEEE 802.3af標準�？蓮V泛用于ＩＰ電話、無線接入點和因特網設備等。

ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準對以太網供電（ＰＯＥ）做出了詳盡的規定，它允許通過以太網傳輸數據的同時提供４８Ｖ電源，ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準中定義的電源供電設備（ＰＳＥ）是能夠通過１０ＢＡＳＥ－Ｔ、１００ＢＡＳＥ－Ｔ或者１０００ＢＡＳＥ－Ｔ網絡提供電源的ＤＴＥ或者Ｍｉｄｓｐａｎ設備，而ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準中定義的受電設備（ＰＤ）則是通過網絡從電源供電設備（ＰＳＥ）取得電源的設備。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準中規定的ＰＳＥ可以提供約１３Ｗ功率。從而使小型數據設備可以通過它們的以太網連接獲得電源，而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源。這些設備包括數字ＶｏＩＰ電話、網絡無線接入點、因特網設備、計算機電話、安全攝像機或任何以太網連接的數據設備。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準的推出，大大擴展了以太網的應用，同時也給以太網帶來了巨大的發展空間。

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ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ是一款高度集成的電源ＩＣ，適用于以太網供電（ＰＯＥ）系統中的受電設備（ＰＤ）。ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ有兩個功能，一是提供ＰＳＥ與ＰＤ之間的接口，二是通過ＤＣ－ＤＣ ＰＷＭ控制器實現４８Ｖ電源轉換以輸出５Ｖ或者ＰＤ所需要的電壓，輸出電壓可實現隔離或者非隔離。ＭＡＸ５９４１Ａ的最大占空比為８５％，可用于反激式轉換器。ＭＡＸ５９４１Ｂ的占空比限制在５０％以內，主要用于單端正激式轉換器中。

２ ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準的ＰＤ接口特性

ＭＡＸ５９４１的ＰＤ接口特性符合ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準，可為ＰＤ提供偵測特征信號和分級信號，此外，ＭＡＸ５９４１還集成了一個具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開關，同時還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（ＵＶＬＯ）以及“電源好”狀態輸出等功能。

在偵測和分級期間，由于集成的ＭＯＳＦＥＴ可提供ＰＤ隔離，ＭＡＸ５９４１可保證偵測階段的泄漏電流失調小于１０μＡ。其可編程限流功能可防止上電期間產生很高的浪涌電流。這些器件的ＵＶＬＯ供電模式具有寬滯回和長故障消隱時間等特性，因而可補償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統在偵測、分級和上／掉電諸狀態間無擾動地轉換。ＭＡＸ５９４１的ＵＶＬＯ門限可調，并具有一個兼容于ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準的缺省值。ＭＡＸ５９４１可工作于ＰＤ前帶有或不帶二級管橋的設計中。

圖1

ＭＡＸ５９４１有三種不同的工作模式：ＰＤ偵測、ＰＤ分級和ＰＤ供電模式。

偵測模式（１．４Ｖ≤ＶＩＮ≤１０．１Ｖ）下，供電設備（ＰＳＥ）將向ＶＩＮ施加兩種１．４Ｖ～１０．１Ｖ范圍內的電壓（最小步長１Ｖ），然后記錄兩個點的電流值，并由ＰＳＥ計算ΔＶ／ΔＩ，以確認２５．５ｋΩ特征電阻是否存在。在此模式下，ＭＡＸ５９４１內部的大部分電路處于關閉狀態，失調電流小于１０μＡ。如果施加在ＰＤ上的電壓有可能被顛倒，則需要在輸入端安裝保護二極管，以免對ＭＡＸ５９４１造成內部損傷。由于ＰＳＥ使用斜率技術（ΔＶ／ΔＩ）來計算特征阻抗，這樣，保護二極管引起的直流偏差已被扣除，因而不會影響偵測過程。

分級模式（１２．６Ｖ≤ＶＩＮ≤２０Ｖ）下，ＰＳＥ根據ＰＤ所要求的功率對ＰＤ進行分級。以便ＰＳＥ高效地管理功率分配。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ標準定義了五個不同的級別。分級電流可由連接在ＲＣＬ與ＶＥＥ之間的外部電阻（ＲＣＬ）來設定。ＰＳＥ通過在ＰＤ輸入端施加一個電壓，以及測量流出ＰＳＥ的電流來確定ＰＤ的分級。當ＰＳＥ施加一個介于１２．６Ｖ～２０Ｖ之間的電壓時。ＰＳＥ利用分級電流信息區分ＰＤ所需要的功率。分級電流包括２５．５ｋΩ偵測特征電阻吸收的電流和ＭＡＸ５９４１的電源電流，ＰＤ吸收的總電流應在ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ標準要求之內。進入供電模式后，分級電流將被關斷。

供電模式下，當ＶＩＮ上升至欠壓鎖定門限( ＶＵＶ-ＬＯ,ＯＮ)以上時，ＭＡＸ５９４１將逐步開啟內部Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ管Ｑ１。圖１是ＭＡＸ５９４１的內部接口電路框圖。ＭＡＸ５９４１用一個恒流（典型值為１０μＡ）對Ｑ１柵極充電。Ｑ１的漏－柵電容限制了ＭＯＳＦＥＴ漏極電壓的上升速率，因而限制了浪涌電流。為了降低浪涌電流，也可在外部添加漏－柵電容。當Ｑ１的漏－源電壓降至１．２Ｖ以下，且柵－源電壓高于５Ｖ時，ＭＡＸ５９４１會發出“電源好”信號。由于ＭＡＸ５９４１具有較寬的ＵＶＬＯ滯回和關斷消隱時間，因而可補償雙絞電纜的高阻抗。

３ 用ＭＡＸ５９４１實現４８Ｖ電源轉換

ＭＡＸ５９４１是電流模式的ＰＷＭ控制器，可將４８Ｖ輸入電源轉換成５Ｖ電壓輸出，ＭＡＸ５９４１用內部穩壓器取代高功耗的啟動電阻，這不但可為ＭＡＸ５９４１提供啟動所需的電能，還能穩定第三（偏置）繞組的輸出電壓，從而為ＩＣ提供穩定的工作電源。開始啟動時，調節器將Ｖ＋調整到ＶＣＣ并為器件提供偏置。啟動之后，改由ＶＤＤ穩壓器從第三繞組輸出穩定的ＶＣＣ。此結構只需一只很小的電容即可對第三繞組的輸出進行濾波，從而省下了一只濾波電感的成本。

在設計第三繞組時，所設計的線圈匝數應保證最小反射電壓始終大于１２．７Ｖ。而最大反射電壓則必須小于３６Ｖ。

為降低功耗，當ＶＤＤ電壓達到１２．７Ｖ后，可以將高壓調節器關掉。這樣可以降低功耗并改善效率。如果ＶＣＣ降低到欠壓鎖定門限（ＶＣＣ＝６．６Ｖ）以下，低壓調節器將被關閉，電路重新進入軟啟動。此時欠壓鎖定狀態ＭＯＳＦＥＴ驅動器的輸出（ＮＤＲＶ）保持為低。

如果輸入電壓介于１３～３６Ｖ之間，只要不超出最大功耗，就可以將Ｖ＋和ＶＤＤ連接到線電壓。這樣就可省掉第三繞組。

４ ＭＡＸ５９４１的設計實例

ＭＡＸ５９４１的一

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