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世平集團代理產品線 TI 提供省去外接電源的乙太網路電源架構 Power over Ethernet

 2009-07-01
摘要

本文以多種電源電路為例,說明如何由兩個或兩個以上的乙太網路埠獲取功率,文中將概括說明每種電路,以及實際運作時面對的部份設計問題。

簡介

乙太網路供電 (Power over Ethernet, PoE) 已經是一種普遍的概念,並被應用於網路電話、保全監控系統、收銀機等產品。PoE藉由乙太網路連線來傳輸電源。在 PoE 供電網路中,由供電端設備 (power source equipment, PSE) 提供電源,在乙太網路連線產生 44 - 57 V 的輸出電壓;在乙太網路連線的另一端,受電端設備 (powered device, PD)會消耗這些功率。雖然目前正在定義較高功率的乙太網路供電標準,不過現在受電端設備可用的功率,在單一乙太網路連線的情況下限制在 13W 左右。遺憾的是,這樣的功率往往不足以支持複雜的應用,因此某些高功率的受電端設備,需要將多個連接埠的功率轉換為可用電壓,並與 48V 輸入電壓的電流隔離。目前有多種技術,可由多重輸入來源提供隔離的功率轉換,簡介如下。

下降法

DC/DC並聯電源普遍使用的一項技術,就是所謂的下降法。如果並聯電源的輸出電壓降低,負載電流升高,並聯電源將會分享電流。這種方式不需要在電源之間通訊,也不會出現單一錯誤失效的情形,而且需要的附加零件非常少。如果使用電流模式控制,只需要限制控制迴路的直流電增益,就能產生與負載電流的增減成正比的輸出電壓下降。如果需要更高的精確度,可以使用如圖 1 的電路。這個電路使用差動放大器 (U1B) 測量輸出電流,並將誤差注入補償放大器 (U1A) 的調節迴路中,只需要加入幾個電阻以及一個放大器,就可以達到自動電流分享。


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圖 1:下降法需要增加的零件很少

遺憾的是,下降分享方式並非十分精確。圖 2 為最糟狀況下的變動程度,其中電阻公差為 1%,參照公差為 1.5%,總下降為 10%,此設計的額定設定值為 5V,變動程度為 ±5 % 的下降幅度。最小與最大曲線顯示在極限狀態下的元件公差。如果將這些電源以並聯方式連接,在沒有負載的情況下,一般會由輸出最高的電源調節輸出電壓。如果電源使用如圖 1 所示的二極體調節,最低輸出的電源將不會輸出任何電流。隨著負載電流增加,輸出電壓開始下降,由具有最高輸出電壓的電源提供所有電流,直到輸出值下降至 5.25V,之後輸出第二高的電源開始提供電流。以上述假設的最差情況公差來看,在最低輸出電壓電源開始作用之前,第一個電源已提供 70 % 左右的輸出功率,這種現象並不理想,因為不夠可靠,不過在某些狀況下可能可以接受。隨著負載電流進一步增加,第一個電源可能到達極限,之後由剩餘的兩個電源負責增加電流,從而達到全功率操作。

具有同步整流功能的電源架構,可以讓電源供應或吸入輸出電流,這對於此種控制方法會造成很大的問題。在極端的情況下,單一電源可能會試圖調節高電流端與低電流端。如果在沒有負載時發生這種情況,有些電源會供應電流至輸出,同時有些電源則會由輸出端吸入電流,這樣會從某個電源獲得功率,再饋電至第二個電源,而不會將功率傳送至負載;因此建議在零安培時停用同步整流。

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圖 2:下降法的最差電流分享相當糟糕


交錯式返馳

平衡多重輸入功率的另一項技術為交錯法。交錯法和下降法一樣,它針對每個輸入使用不同的功率級,並將電源供應至一個共同輸出。和下降法不同之處,在於交錯功率級(或稱相位)共用一個通用的一次側(primary side)控制器,這種方式可以降低成本,每個功率級也可在反相位(out of phase)時同步。同步可以降低輸出電容器的漣波電流,因此可使用較小的輸出濾波器。在交錯法中,所有功率輸入必須共用同一迴路 (return),因此在某些應用中無法使用這種方法。

許多脈寬調變 (PWM) 控制器專門針對交錯法進行設計,如果只需要兩種相位,可以使用推挽式控制器(push-pull controller)執行交錯法,以大幅降低成本。圖 3 為二相位交錯式返馳電源,使用類似 UCC2808 的推挽式控制器,這種晶片會限制每個相位的負載週期至 50%,並將兩個功率級以 180 度的反相位方式進行轉換。這種推挽式控制器使用峰值電流模式控制,可以讓兩種相位保持在接近相同的峰值電流值。在非連續返馳中,每個相位的輸出功率,與初級峰值電流的平方值成正比,因此可自然平衡由兩個輸入電源獲得的功率。這種技術可以使兩個輸入電源的功率差距縮減到 5% 以內。初級金氧半電晶體(MOSFET)的切換延遲是造成不均衡狀態的主要原因,在兩個輸入電壓不相等時情況最糟。由控制器所提供的峰值電流限制,會限制由二個輸入端獲得的最大功率,而負載週期箝位會在欠壓與失效狀況下限制輸入電流。

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圖 3:推挽式控制器驅動交錯式返馳


使用二次側負載分享控制器來分享功率

在多個輸入間分享功率的第三種方式,是透過二次側負載分享晶片來實現。採用此方式,具有遠端感測能力的獨立電源,不管數量多寡,均可共享同一輸出。負載分享晶片常與電源模組共用,請參考圖 4的範例。一個分流電阻被用來測量每個轉換器所供應的電流。因為公差與寄生阻抗,其中一個電源將供應較多的電流,此電源會作為主電源,並將在負載分享 (LS) 匯流排上設定電壓,從屬單元使用此負載分享匯流排電壓作為輸入參考,以控制自己的輸出電流。如果要調整從屬單元,可以在從屬轉換器的遠端感測導線上注入電壓,如此可從主電源控制負載的輸出電壓,保持良好的負載調節。使用這種主/從方式,可以產生非常好的電流分享準確度,一般來說在完全負載時優於 3%。

由於每個並聯電源都需要一個負載分享控制器,以及外部的分立元件,因此這種方法的元件數量與成本略高於下降法與交錯法。此外,不建議同時使用負載分享控制器與同步整流器,因為可能在啟動或加入、移除個別電源時發生問題。

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圖 4:UCC39002 負載分享控制器可以並聯獨立電源


主/從隔離一次側電流分享

另一項可使用於並聯電源的技術,就是感測一個初級電流(主),然後與另一個電流比較(從)。不論使用光耦合器或電流變壓器,都可以在電源間傳輸電流資訊,同時維持隔離狀態。電流變壓器是最佳選擇,因為可以用最低的成本達到良好效能。此外,相較於光耦合器,電流變壓器具有良好的準確度。電流變壓器的準確度由圈數比公差與電阻公差所決定,前者優於 2%,後者數值一般為 1%。光耦合器的準確度則依賴電流轉換率公差,最好的狀況為 30%。

結論

表 1 顯示四種負載分享方式的比較結果。下降法是最簡單的方式,也是成本最低廉的方式之一,不過效能最差,但不會發生單點失效情形。一般而言,效能最佳的技術是負載分享控制器,也是最昂貴的解決方案。使用交錯初級控制器或光耦合器/電流變壓器技術,可以在成本與效能間取得平衡。此外像是同步整流器的使用、乙太網路供電輸入數目、乙太網路供電輸入是否需要彼此隔離,這些額外因素都需要考慮,才能決定應該選用何種方法。為你的應用使用適當的技術,可由乙太網路供電獲得最大功率。

表 1:負載分享控制器效能最佳,但是成本較高
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參考資料

如需下載產品資料表,或瞭解有關 UCC2808 與 UCC39002 的詳細資訊,請參考網站:http://www.ti.com/sc/device/ucc39002http://www.ti.com/sc/device/ucc2808

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