如何应对PoE受电设备设计挑战 - 全文

　　POE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

　　为了在新的产品应用中夺取和保持市场占有率，降低PoE受电设备(PD)中电源级所占用的成本而同时不牺牲可靠性是至关重要的。本文所提出的解决方案可降低成本并提高PD电源级的可靠和稳定性。

　　对于集成PD电源电路，电源管理IC制造商一般采取下列两种方法之一(参见图1)：

　　图1：两个分立接口电路：a) 对0级;b) 对1、2和3级

　　A. 将前端接口电路和一个用于DC-DC转换器(驱动一个分立功率MOSFET)的PWM控制器集成在一片IC上。B. 将一个功率MOSFET、PWM控制器和用于DC-DC转换器的所有支持电路集成在一片IC上。

　　第一种方法看来要把大多数电路集成到芯片之中。然而，它不是理想的解决方案，因为接口电路仅仅具有一种可变功能：识别PD的级别(0, 1, 2或3)。在IC内集成如此简单的电路并未对晶圆面积进行最有成本效益地利用，特别是仅使用几个标准的独立元件就可以低廉的成本实现的电路，这些独立元件还可在另个新设计中重复使用。

　　图2：两种用于PD电源级的最常见集成方法

　　图2显示了两个分立接口电路。左侧电路实现一个0级PD,在大批量生产中的成本仅仅为9美分;右侧电路成本为20美分，通过改变唯一的电阻(R16)的数值，可以把PD分为1、2或3级。

　　DC-DC转换器比接口电路要复杂得多，因此，第二种方法(图1中B) 如果把支持DC-DC转换需要的所有功能都集成在IC内部的话，是可以极大地简化设计。

　　面向PoE应用的电源转换IC

　　DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。在电路类型分类上属于斩波电路。

　　因为直通开关MOSFET的漏极被连接到DC-DC转换器的开关MOSFET的源极，现有办法不能把一切都集成到一颗单片晶圆上。一些包含多颗晶圆的IC正开始出现，然而，它们可能价格不菲。因此，要么选择把前端和一个PWM控制器集成在一起的单片芯片，要么选择把PWM控制器、功率MOSFET和相关支持电路集成在一起的单片芯片。

　　因为设计时间的大半将花在DC-DC转换器上，把常用支持功能集成在所选择的IC之中是至关重要的。下列就是在一款IC中应包括的集成功能：

　　过热保护：

　　安全和高度可靠的DC-DC转换器具有热感测和过热保护。MOSFET开关可能是所有开关转换器中最易发热的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其温度必须被感测出来以提供热保护。当采用分立MOSFET开关的时候，必须安装热传感器以便它直接与MOSFET接触，这通常需要一些手工安装的步骤。然而，当MOSFET与控制器一道被集成在同一晶圆上的时候，控制器可以直接感测MOSFET温度。这就省略了把热传感器连接到分立MOSFET时所需要的手工安装步骤。

　　支持转换器通常所需要的其它一些功能是：启动、软启动、自动重启动、欠压锁定(UVLO)、过压关断以及MOSFET电流检测和限流。

　　启动：

　　一旦转换器开始工作，它通常从主变压器上的辅助绕组向PWM控制芯片提供电源。然而，当电源首次被施加到转换器时，辅助电源没有电，必须利用附加电路向控制器提供初始工作电流。当初始供电电路被集成到控制器IC之中时，工程师既不需要参与其设计，也不需要担心其正确的工作，特别是如果该电路需要非常少的外部元器件实现正常工作的话。这就缩短了设计周期，与此同时，也减少了元器件的数量。

　　软启动：

　　集成启动电路也可以被设计为缓慢"松开"转换器使其进入完全工作。在软启动期间，开关占空比最初非常低，并在开始工作的最初几毫秒期间缓慢增加。这就减轻了对各种电源元器件的压力，使它们的寿命更长。

　　自动重启动：

　　高可靠性和稳定性工作要求防止转换器或负载的元器件出现故障。当保护功能被集成到IC内部时，设计工程师的工作就极大地减轻了。此外，一种设计良好的自动重启动功能可以限制某种故障期间可能被传递到负载的功率，并且可以通过有效反馈信号的丢失来激活，而不是由对IC供电电源的丢失来激活。这一点很重要，因为在输出过载条件期间偏置电源可能提供足够保持IC正常工作的功率，所以，不能依赖它的丢失作为故障保护的手段。

　　UVLO和过压关断：

　　欠压关断模式是当供电电压低于IC的开启门限电压时的一种保护模式。欠压关断模式可保证IC在供电电压不足时不致于被损坏。一个低电压锁定(UVLO)电路可确保IC在电池电压未达到安全操作电压前不同激活，UVLO的功能会展示滞后现象，以确保在电源供应架上的噪音不会不慎导致系统故障。当类似低电压或高电压状况发生于监控输出或在系统电源供应出现低电压的错误时，所有监控的电源供应可能会激发出像是一排序电源关闭的操作之内部错误反应，或是一种立即的强迫关闭。

　　虽然在发现和分级期间接口电路执行最初的欠压锁定功能，DC-DC转换器也需要具备它自己的UVLO功能以满足IEEE802.3af规范对工作范围的要求。过压关断功能保护负载免受在CAT-5电缆上的反常高压。此外，这两种功能都应该被集成到IC之中，以保持设计时间尽可能短。

　　MOSFET电流感测和限流：

　　金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effecttransistor)。MOSFET依照其"通道"的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。MOSFET里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃(Å)不等，通常材料是二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)，不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做为氧化层之用。

　　在每一个开关周期感测和限制峰值MOSFET电流可能有助于防止变压器饱和并使转换器更为稳定。在低功率级别，MOSFET电流感测是利用一个与MOSFET源极串联的电流感测电阻实现的;这有效地增加了MOSFET漏-源极(RDS(ON))的导通电阻，但是，降低了转换器的效率。然而，当MOSFET与控制器一道被集成到同一晶片之上时，不需要任何外部元器件就可以感测和限制峰值MOSFET电流。除了减少转换器的元器件数量之外，集成电流限制功能可以比利用外部元器件要快得多，并使转换器更为强健可靠。

　　使用将所有这些功能都集成的电源转换IC,设计时间可以被控制得非常短。此外，元器件数量和电源级的成本可以仍然非常低，甚至在采用分立接口电路的情况下，只要DC-DC转换器能够被足够地集成。Power

　　Integrations公司已经利用它的DPA-Switch产品家族开发了一种低成本、可靠的PD电源级。基于这种方法的电源级的电路图如图3所示。

　　图3：基于DPA-Switch器件的PD电源级电路图

　　此分立接口电路仅仅需要16个元器件，并已通过美国新罕布什尔州大学的互通性联盟(UNH-IOC)的测试。该DC-DC转换器围绕Power

　　Integrations公司高度集成的电源转换IC(U1)进行设计，并且仅仅需要33个元器件。热保护、启动电流源、软启动、自动重启动、UVLO、过压关断和MOSET电流感测及限流功能都完全集成到U1之中。220

　　V集成MOSFET的击穿电压(BVDSS)足够高，150V齐纳箝位二极管(VR3)足以保护集成MOSFET漏极节点免受反激电压尖峰的干扰。

　　一个电阻(R5)就使UVLO和过压关断功能成为可能，与此同时，四个其它元器件(Q20、R21、R22和R23)降低了UVLO功能的关闭阈值以满足IEEE802.3af要求。U1的控制引脚是为接收来自IC及输出反馈而接收电源电流的电流输入端。反馈信号的丢失会造成U2中断向U1提供偏置电流，从而使之进入它的自动重启动保护模式。此外，U1利用集成的MOSFE漏-源极之间的压降来感测每一个开关周期的漏极(DRAIN)电流。如果漏极电流超过器件的峰值电流限制，集成比较器就会将MOSFET关断。当与适当设计的变压器一道使用时，这种电流限制功能排除了变压器饱和的可能性，使转换器非常强健可靠。DC-DC转换器的其余部分是简单的由电压模式控制的反激式电路。

　　本文小结

　　PoE PD设计工程师正面临着降低他们的电源级成本而不牺牲可靠性的挑战。半导体集成是正用于解决这个问题的主要技术，其中有两种常用方法。虽然接口电路与PWM控制器的集成最初看来是不错的方法，但是，把PWM控制器和功率MOSFET集成在一起能够既降低成本又可以缩短设计周期，而同时又不牺牲可靠性。DPA-Switch家族产品为设计工程师提供一种解决他们的PoE PD设计挑战的有效的解决方案。