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電子工程網(wǎng)

標題: MAXIM以太網(wǎng)供電(PoE)器件系列產(chǎn)品-HENDA [打印本頁]

作者: jqq5719 時間: 2012-8-31 19:05
標題: MAXIM以太網(wǎng)供電(PoE)器件系列產(chǎn)品-HENDA
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深圳市恒大創(chuàng)新科技有限公司是美國Maxim公司大陸地區(qū)的專業(yè)增值分銷商，公司主營美信以太網(wǎng)供電(PoE)系列器件，包括用電端(PD)芯片和供電端(PSE)芯片等產(chǎn)品，我們能夠給您提供最優(yōu)的價格，最好的服務(wù)，及時穩(wěn)定的供貨，以及強大的技術(shù)支持。
Maxim公司成立于1983年，總部位于美國加利福尼亞，2001年Maxim公司并購了著名的Dallas 公司成為全球最好的模擬信號和混合信號半導體公司。Maxim公司的使命是不斷創(chuàng)造高品質(zhì)的模擬工程解決方案，在世界范圍內(nèi)為基于微處理器的電子產(chǎn)品客戶提供增值服務(wù)。是世界范圍內(nèi)模擬和混合信號集成產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域的領(lǐng)導者之一。通過對溫度、壓力、聲音等現(xiàn)實世界的各種信號進行檢測、放大，并將其轉(zhuǎn)換成計算機處理所需要的數(shù)字信號。

一、PoE+電路為用電設(shè)備(PD)提供13W至70W功率
摘要：本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單的高性價比準IEEE® 802.3at PoE+用電設(shè)備(PD)的解決方案，采用MAX5941B設(shè)計。本文討論了PoE+ PD的主要需求，以及擴展MAX5941B的現(xiàn)有電路實現(xiàn)PoE+ PD的優(yōu)勢。本文提供了針對3.3V、30W PD電路的測試結(jié)果，包括：浪涌電流、效率、輸出紋波以及動態(tài)響應(yīng)。
概述隨著PoE (以太網(wǎng)供電)應(yīng)用的迅速發(fā)展，對功率的需求也越來越高，已經(jīng)高出目前IEEE 802.3af標準(12.95W)的指標。為了滿足這一需求，IEEE于2005年9月開始于制定新標準(IEEE 802.3at)，旨在擴展以太網(wǎng)供電功率(30W以上)。預計該標準將在2008年的第二季度推出，新的PoE升級標準(PoE+)將為用電設(shè)備(PD)提供大約雙倍的有效功率。
在IEEE 802.3at獲得正式批準之前，業(yè)內(nèi)需要一個“準PoE+"電路，以滿足當前的應(yīng)用需求。本文介紹了一個簡單的、能夠提供PoE+功率(30W)的PD電路，利用外部MOSFET和針對原802.3af標準設(shè)計的控制器實現(xiàn)。
圖1所示電路利用MAX5941B PoE控制器構(gòu)建為準PoE+ PD供電的電源，能夠滿足多數(shù)大功率PoE+應(yīng)用的要求，并保持了802.3af標準的向后兼容性。通過增加一個外部MOSFET，可以按比例調(diào)節(jié)或增大PD接口的有效功率，功率范圍可以從802.3af的標準等級擴展到70W，遠遠超出了802.3at PD推薦的最大功率。

圖1. “準PoE+”供電電路提供3.3V、30W輸出，為了達到這一目的，電路在MAX5941B PoE電路的基礎(chǔ)上簡單增加了一個MOSFET
PoE+要求IEEE 802.3at¹標準建議的PoE+設(shè)計目標如下：
• IEEE 802.3at應(yīng)當遵循802.3af制定的電源安全性規(guī)則和限制
• 802.3at PSE必須向后兼容802.3af：能夠為802.3af和802.3at PD供電
• 802.3at PSE能夠提供PD允許的最大功率(最少30W)，受限于實際應(yīng)用
• 802.3at PD連接到早期的802.3af PSE時，能夠向用戶顯示需要802.3at PSE

802.3at PD必須能夠由802.3at PSE識別、檢測和供電，為其下游負載提供足夠的功率。為滿足新的802.3at功率的需求，目前的PD控制器面臨以下問題和設(shè)計挑戰(zhàn)：
• 4級PD分級
• 這些控制器的內(nèi)部PD接口隔離開關(guān)不能處理高于最大12.95W的功率等級
• 許多目前PD控制器的電流限制低于802.3at要求的功率等級

幸運的是，MAX5941B控制器能夠為“準PoE+” PD提供70W的功率，而外部元件只需很少改動。為了滿足PoE系統(tǒng)中的PD供電需求，它集成了一個完整的802.3af兼容電源IC，包括一個PD接口和緊湊的DC-DC PWM控制器，該控制器可以在隔離或非隔離電源設(shè)計中用作反激或正激轉(zhuǎn)換器。²
結(jié)構(gòu)簡單的高性價比準PoE+方案通過以下調(diào)節(jié)，能夠使MAX5941B控制器滿足PoE+的要求:
• 4級PD分級該控制器已經(jīng)包含了4級PD分級，僅僅需要改變外部的分級設(shè)置電阻。

• PD接口隔離開關(guān)的額定功率：所有現(xiàn)有的PD控制器都包含一個MOSFET，在開啟協(xié)議檢測和分級時隔離PD。由于這個MOSFET為802.3af規(guī)定的功率級(12.95W)設(shè)計，所以低于802.3at應(yīng)用的功率等級。
MAX5941B內(nèi)部MOSFET的柵極輸入連接到引腳7，簡單地在該引腳連接一個外部MOSFET可以提高PD接口開關(guān)的功率。新的功率要求可以從12.95W到70W以上，具體取決于外部MOSFET的額定功率。外部MOSFET的RDS(ON)必須保證流經(jīng)內(nèi)部開關(guān)的電流在其安全工作范圍內(nèi)。
• 改變電流限制：很多當前的PD控制器提供兩級限流門限。第一級設(shè)置為低于400mA，用于限制上電時PD的輸入浪涌電流；第二級設(shè)置為高于400mA。不但802.3af標準不需要第二級限流，在實際的PoE+應(yīng)用中也禁止使用這些PD控制器。
MAX5941B控制器允許用戶編程輸入浪涌電流，但卻不需要加入第二級限流。由于用戶可以設(shè)置低于400mA的輸入浪涌電流限制，從技術(shù)上解決了PoE+應(yīng)用的兼容性問題。輸入浪涌過程結(jié)束后，PD準備就緒，可以工作在更高功率的PoE+系統(tǒng)，無需更換IC或更改外部電路。
在PoE+系統(tǒng)中，電纜所能承載的電流是限制功率傳輸?shù)钠款i。在相關(guān)標準中，例如TR42.7³，為了確定不同條件下電纜的電流承載能力，對PoE+電纜進行了大量的測試。目前，TR42.7推薦在45°C最大環(huán)境溫度下，5e類、6類和6A類電纜每線對能夠承載的最大電流是720mA (每根導線360mA)。超過45°C時，受I²函數(shù)的影響，60°C時額定值降到0mA，其中I是流經(jīng)電纜的電流。因此，對于兩線對的PoE+系統(tǒng)，所允許的PD最大功率約為30W。據(jù)此，我們?yōu)闇蔖oE+ PD設(shè)計了一個30W的供電電路。
PD接口

圖2. 30W PD接口原理圖
30W PD供電電路的原理圖如圖2所示。N10是增加的外部MOSFET，用于增強PD接口隔離開關(guān)，以達到PoE+的功率等級。R8 (178Ω)是用來設(shè)置4級功率等級的RCL。這個30W的PD能夠從準802.3at PSE接收功率。兩對UTP線纜連接到快捷插座連接器FastJack™ J1，連接器集成了10/100 Base-TX VoIP磁模塊。兩個二極管橋功率整流器(D4，D5)用于分離PSE送出的-48V直流電源。
隔離開關(guān)(由MAX5941B內(nèi)部功率MOSFET和外部MOSFET N10組成)限制啟動時的輸入浪涌電流。MAX5941B通過一個典型10µA 的恒流源給MOSFET的柵極充電。MOSFET漏極至柵極之間的電容通過限制漏極電壓的上升速度限制輸入浪涌電流。可以通過在GATE和OUT之間外加一個電容進一步減小輸入浪涌電流。以下公式用于計算輸入浪涌電流：

PoE+應(yīng)用的輸入浪涌電流限制在400mA (最大值)以內(nèi)。圖3波形(從圖2電路中測得)顯示當輸入電壓大約為39V時，輸入浪涌電流低于108mA，39V是缺省的欠壓鎖定電平(UVLO)。當負載電流為7A時，流經(jīng)隔離開關(guān)的總平均電流是680mA。

圖3. 準PoE+ PD輸入浪涌電流的限制
Ch1：3.3V輸出，1VDC/格
Ch4：輸入電流，200mA/格
時基：100ms/格
3.3V、30W DC-DC轉(zhuǎn)換器PD的DC-DC轉(zhuǎn)換器如圖4所示，用于PoE的電源轉(zhuǎn)換有兩種主要架構(gòu)：反激和正激轉(zhuǎn)換器。反激轉(zhuǎn)換器需要的器件數(shù)最少、成本最低，但峰值電流較高，因此需要更大的輸出電容和/或兩級濾波器，以減小輸出電壓紋波。

圖4. 用于30W PoE+ PD的DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖

對于單輸出、大電流轉(zhuǎn)換器，推薦使用具有同步整流的單端正激變換器，這種架構(gòu)非常適合PoE應(yīng)用，具有高效、低EMI、成本低等優(yōu)勢，本設(shè)計選擇了這種架構(gòu)。由于同步整流正激變換器的原理在MAX5941B評估板的數(shù)據(jù)資料中進行了詳細描述，這里不再贅述。
測試結(jié)果為了評估DC-DC轉(zhuǎn)換器性能我們進行了大量測試，圖5給出了電源電壓為48V時測得的效率與輸出電流的對應(yīng)關(guān)系曲線，這里沒有考慮兩個二極管橋整流器(D4，D5)的功耗(如果考慮這些因素，效率下降約5%)。
圖4所示PD電源的輸出紋波(圖6)是在最差工作條件下測試的：57V輸入電壓、9A負載。所得結(jié)果(大約50mV)基本符合PoE+應(yīng)用的要求，例如802.11n接入點、大功率VoIP視頻電話以及監(jiān)控攝像頭等。增加一個低ESR陶瓷電容有助于得到更低的輸出紋波，轉(zhuǎn)換器的波特圖(圖7)顯示相位裕度為45°，增益裕度為10dB，具有較好的響應(yīng)能力。
對于一些特定應(yīng)用，只需用PD接口的前級(圖2)配合用戶已有的DC-DC轉(zhuǎn)換器工作即可。針對這種要求，可以選擇Maxim的PD控制器系列(MAX5940B)產(chǎn)品，配合外部MOSFET和MAX15000 DC-DC控制器使用。

圖5. 準PoE+ PD效率與輸出電流的關(guān)系

圖6. 準PoE+ PD的輸出紋波
Ch1：3.3V輸出，50mVAC/格
Ch2：3.3V的負載電流，5A/格
時基：2µs/格

圖7. 最大輸入電壓和輸出電流下DC-DC轉(zhuǎn)換器的波特圖
結(jié)論在IEEE 802.3at標準發(fā)布之前，本文提供的PD電路(圖2)是解決PoE+供電問題的一個快速、有效、靈活的方案。它符合該標準的電流要求(草案0.9)4，并保持了向下兼容性，兼容于當前的IEEE 802.3af標準。采用同步整流正激DC-DC轉(zhuǎn)換器可以獲得高效、低EMI以及低成本設(shè)計。如果連接PSE和PD的電纜能夠承載足夠的電流，電路中的MAX5941B控制器能夠輕松升級PD設(shè)計，輸出功率可以達到甚至超過70W。
二、業(yè)內(nèi)首款四通道PSE控制器，支持大功率(PoE+)及IEEE 802.3af應(yīng)用

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關(guān)鍵特性

• 符合IEEE 802.3af標準/pre-IEEE 802.3at兼容
• 通過I²C接口隨時讀取端口電流
• 每端口可提供高達45W的功率
• 為早期設(shè)備提供大電容偵測
•• 引腳兼容于MAX5945和LTC4258/LTC4259A
• 四路獨立的功率開關(guān)控制器
•  PD偵測和分級
• 偵測期間提供負載穩(wěn)定性安全檢測
• 同時提供直流和交流負載斷開檢測
•  I²C兼容3線串行接口
• 折返式限流以及占空比受控的電流限制
• 漏極開路/INT輸出
• 可直接快速關(guān)斷

應(yīng)用/使用

• 中跨電源注入
• 供電設(shè)備(PSE)
• 交換機/路由器

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