MAXIM以太網供電(PoE)器件系列產品-HENDA

jqq5719 · 發表于 2012-8-31 19:05:09

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深圳市恒大創新科技有限公司是美國Maxim公司大陸地區的專業增值分銷商，公司主營美信以太網供電(PoE)系列器件，包括用電端(PD)芯片和供電端(PSE)芯片等產品，我們能夠給您提供最優的價格，最好的服務，及時穩定的供貨，以及強大的技術支持。
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一、PoE+電路為用電設備(PD)提供13W至70W功率
摘要：本文介紹了一種結構簡單的高性價比準IEEE® 802.3at PoE+用電設備(PD)的解決方案，采用MAX5941B設計。本文討論了PoE+ PD的主要需求，以及擴展MAX5941B的現有電路實現PoE+ PD的優勢。本文提供了針對3.3V、30W PD電路的測試結果，包括：浪涌電流、效率、輸出紋波以及動態響應。
概述隨著PoE (以太網供電)應用的迅速發展，對功率的需求也越來越高，已經高出目前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，業內需要一個“準PoE+"電路，以滿足當前的應用需求。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標準設計的控制器實現。
圖1所示電路利用MAX5941B PoE控制器構建為準PoE+ PD供電的電源，能夠滿足多數大功率PoE+應用的要求，并保持了802.3af標準的向后兼容性。通過增加一個外部MOSFET，可以按比例調節或增大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電路的基礎上簡單增加了一個MOSFET
PoE+要求IEEE 802.3at¹標準建議的PoE+設計目標如下：
• IEEE 802.3at應當遵循802.3af制定的電源安全性規則和限制
• 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計挑戰：
• 4級PD分級
• 這些控制器的內部PD接口隔離開關不能處理高于最大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計中用作反激或正激轉換器。²
結構簡單的高性價比準PoE+方案通過以下調節，能夠使MAX5941B控制器滿足PoE+的要求:
• 4級PD分級該控制器已經包含了4級PD分級，僅僅需要改變外部的分級設置電阻。

• PD接口隔離開關的額定功率：所有現有的PD控制器都包含一個MOSFET，在開啟協議檢測和分級時隔離PD。由于這個MOSFET為802.3af規定的功率級(12.95W)設計，所以低于802.3at應用的功率等級。
MAX5941B內部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)必須保證流經內部開關的電流在其安全工作范圍內。
• 改變電流限制：很多當前的PD控制器提供兩級限流門限。第一級設置為低于400mA，用于限制上電時PD的輸入浪涌電流；第二級設置為高于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。由于用戶可以設置低于400mA的輸入浪涌電流限制，從技術上解決了PoE+應用的兼容性問題。輸入浪涌過程結束后，PD準備就緒，可以工作在更高功率的PoE+系統，無需更換IC或更改外部電路。
在PoE+系統中，電纜所能承載的電流是限制功率傳輸的瓶頸。在相關標準中，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函數的影響，60°C時額定值降到0mA，其中I是流經電纜的電流。因此，對于兩線對的PoE+系統，所允許的PD最大功率約為30W。據此，我們為準PoE+ PD設計了一個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，以達到PoE+的功率等級。R8 (178Ω)是用來設置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(由MAX5941B內部功率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+應用的輸入浪涌電流限制在400mA (最大值)以內。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，流經隔離開關的總平均電流是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轉換器PD的DC-DC轉換器如圖4所示，用于PoE的電源轉換有兩種主要架構：反激和正激轉換器。反激轉換器需要的器件數最少、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轉換器原理圖

對于單輸出、大電流轉換器，推薦使用具有同步整流的單端正激變換器，這種架構非常適合PoE應用，具有高效、低EMI、成本低等優勢，本設計選擇了這種架構。由于同步整流正激變換器的原理在MAX5941B評估板的數據資料中進行了詳細描述，這里不再贅述。
測試結果為了評估DC-DC轉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關系曲線，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。所得結果(大約50mV)基本符合PoE+應用的要求，例如802.11n接入點、大功率VoIP視頻電話以及監控攝像頭等。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，具有較好的響應能力。
對于一些特定應用，只需用PD接口的前級(圖2)配合用戶已有的DC-DC轉換器工作即可。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轉換器的波特圖
結論在IEEE 802.3at標準發布之前，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轉換器可以獲得高效、低EMI以及低成本設計。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設計，輸出功率可以達到甚至超過70W。
二、業內首款四通道PSE控制器，支持大功率(PoE+)及IEEE 802.3af應用

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關鍵特性

• 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控制器
•  PD偵測和分級
• 偵測期間提供負載穩定性安全檢測
• 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
• 可直接快速關斷

應用/使用

• 中跨電源注入
• 供電設備(PSE)
• 交換機/路由器

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