有源桥优化以太网供电设计

设备电源输入端使用的桥式整流器电路使其不受设备电源极性的影响。设备本身可能对电源的极性敏感，但桥式整流器可以配置为在电源极性反转时为设备提供正确的极性。某些系统，例如以太网供电 (PoE) 受电设备 (PD)，其规范要求它们在极性反转的情况下正常运行。这种类型的桥式整流器电路旨在纠正极性不匹配，而不是对交流电源进行整流。

可以使用标准二极管配置桥式整流器；但是，这些整流器电路具有相对较高的能量损失，因为：

二极管电桥的功率损耗 = 2 x V F x I IN

如图 1所示，有源 MOSFET 电桥使用 MOSFET 实现电桥配置解决了这一缺陷 。

图 1：二极管桥与有源 MOSFET 桥式整流器。

有源 MOSFET 桥的功率损耗计算为 I IN 2 x (P-ch_R DS(ON) + N-ch_R DS(ON) )。如果输入电流为 1 A，则有源 MOSFET 电桥的功率损耗仅为 0.169 W，总导通电阻为 169-mΩ——P 沟道和 N 沟道 R DS(ON)之和。相比之下，假设二极管正向电压为 0.7V，二极管电桥的损耗为 1.4W。差异很大。 

在实现有源 MOSFET 桥时，主要考虑的是栅极驱动电路根据电源的极性开启对角 MOSFET，这可能相对昂贵并占用宝贵的 PCB 空间。在 PoE PD 应用中使用有源 MOSFET 桥时，在大多数情况下必须考虑并遵守 IEEE 802.3at PoE 标准。

设计人员必须了解 802.3at PoE 标准定义的检测和分类程序。其中包括要求电源设备 (PSE) 识别 PD 是否可用以及 PD 通过网络电缆连接到 PSE 时消耗的功率。在电阻检测期间，PSE 提供两个连续的电压——V1 = 2.7 V 和 V2 = 10.1 V——然后记录测量的电流，PD 呈现 25 KΩ。如果计算出的 ΔV/ΔI 等于 25 KΩ，容差为 23.7 KΩ 至 26.3 KΩ，则 PSE 确保存在 PD。

然后 PSE 进入功率分类模式以使用相同的方法识别 PD 功率等级。PSE 提供 14.5 V 至 20.5 V 范围内的单个电压，然后测量电流以计算当前电阻。PSE 使用计算出的电阻识别 PD 功率等级。在这两个阶段，有源 MOSFET 桥电路必须保持低电流消耗，并且不干扰 25-KΩ 电阻检测和功率分类。这就是有源 MOSFET 桥需要优化栅极驱动电路的原因之一。图 2 显示了简化的 PoE 系统图和两个过程中从 PSE 到 PD 的电流路径。

图 2：PoE 系统图。

有许多 IC 可用于控制 MOSFET 电桥。更好的选择可能是完全集成的桥接解决方案，例如 Fairchild 的 GreenBridge FDMQ8205。该芯片的全桥拓扑结构中的 80-V MOSFET 在单个 4.5 x 5.0-mm MLP 封装中使用获得专利的栅极驱动电路。图 3 显示了具有双 FDMQ8205 IC 的 PoE PD 应用图。

图 3：PoE PD 应用示意图。

该 PoE 系统支持两种类型的 PSE（电源设备）：端跨 PSE 和中跨 PSE。End-Span 版本使用网络电缆中的 1、2、3 和 6 针一起提供数据和电源。另一方面，中跨 PSE 通过 4、5、7 和 8 引脚供电，并将 1、2、3 和 6 引脚用于数据。正因为如此，IEEE 802.3at PoE 标准要求在 PoE PD 应用中使用两个桥接器来覆盖这两种 PSE。

　　审核编辑：汤梓红