１ 构建设备节能的以太网供电理念与特征 以太网供电（ＰｏＥ）技术是一种能通过标准以太网电缆提供供电及传送数据的技术。通过以太网获得供电的设备，例如网络电话、保安系统摄录机和无线局域网节点都可采用ＰｏＥ技术。 由于通过以太网获得供电的电子设备无需依靠交流电，而且系统的整体成本也较低，因此ＰｏＥ解决方案很快便大受市场欢迎。以网络电话为例，采用不间断电源（ＵＰＳ）供应技术可以保证供电更稳定可靠，不易出现浪涌电流、盗电、电力中断等情况。此外，世界各地都普遍采用ＲＪ－４５连接器，因此各地的ＰｏＥ设备可以兼容。采用ＰｏＥ技术的电子设备不但具有管理上的灵活，而且还具备远程通、断电能力。但以太网集线器的供电量以及以太网电缆的电流传输量毕竟有限。为确保两者不出现过载，国际电子电气工程师协会（１ＥＥＥ）特别为需要通过以太网获得供电的负载制定８０２．３ａｆＰｏＥ技术标准，确保有关负载的电气特性符合标准。
１ 构建设备节能的以太网供电理念与特征
以太网供电（ＰｏＥ）技术是一种能通过标准以太网电缆提供供电及传送数据的技术。通过以太网获得供电的设备，例如网络电话、保安系统摄录机和无线局域网节点都可采用ＰｏＥ技术。
由于通过以太网获得供电的电子设备无需依靠交流电，而且系统的整体成本也较低，因此ＰｏＥ解决方案很快便大受市场欢迎。以网络电话为例，采用不间断电源（ＵＰＳ）供应技术可以保证供电更稳定可靠，不易出现浪涌电流、盗电、电力中断等情况。此外，世界各地都普遍采用ＲＪ－４５连接器，因此各地的ＰｏＥ设备可以兼容。采用ＰｏＥ技术的电子设备不但具有管理上的灵活，而且还具备远程通、断电能力。但以太网集线器的供电量以及以太网电缆的电流传输量毕竟有限。为确保两者不出现过载，国际电子电气工程师协会（１ＥＥＥ）特别为需要通过以太网获得供电的负载制定８０２．３ａｆＰｏＥ技术标准，确保有关负载的电气特性符合标准。
ＰｏＥ是从中央交换机向以太网连接的设备（ＶｏｌＰ电话、ＷＬＡＮ发送器、安全摄像机）供电的方式。使用现有的ＣＡＴ５电缆就无需交流供电（并省去配线成本）。中央交换机还能够控制用电设备的功率分配，可为重要系统提供复杂的不间断的电源管理。
以太网供电工作三个基本功能：一个ＰｏＥ负载或用电设备（ＰＤ）必须具备三个基本功能才可以与供电端的供电设备（ＰＳＥ）连接。这三个功能分别是发现、分级及欠压锁定。
（1）发现阶段－受电设备的检测
当一个激活ＰｏＥ的以太网电缆插入ＰＤ后，即当受电（用电）设备（ＰＤ）被接入以太网链路时，ＰＳＥ必须检测每个以太网设备是否需要电源，供电设备（ＰＳＥ）会向ＰＤ发出询问信号判断ＰＤ的ＰｏＥ是否被激活，因而ＰＤ必须表现出区别于传统以太网设备的特性，这一阶段被称为发现阶段。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ标准的ＰＤ要求开始于一个２５ｋΩ和小于１２０ｎＦ的特征识别，正是这一特征使ＰＳＥ通过测量其“检测特征”－共模终端来检测需要供电的设备，将ＰＤ从不需要供电的其它以太网设备中区分出来。ＰＤ只需要具有这些检测特征，同时其链路处于检测模式，则即可实现检测。也就是说，供电设备（ＰＳＥ）可以利用特征检测功能，测量电缆阻抗的大小，以确定用电设备（ＰＤ）是否已连接，供电设备可以根据其内部设定作出判断，若阻抗的测量值介于２３．７５～２６．２５ｋΩ，便可断定已连接用电设备。
ＰＳＥ对ＰＤ检测的具体方法有二种。其一，为实现这种检测，ＰＳＥ通过测量两个Ｖ－Ｉ（电压－电流）点和从它们之间的斜率来计算电阻以判断端口的共模终端来检测需要供电的设备，就是利用２．７~１０．１Ｖ的限流电压探测信号线。表１列出检测状态下ＰＳＥ对要被检测为有效的ＰＤ必须具备的参数条件。表１中的参数之所以允许１．９Ｖ的串联电压偏移是因为通常采用二极管桥来控制电压极性。
每个ＰＤ会用到两个这样的二极管全桥（见图１所示，为用ＭＡＸ５９３５ ＰＳＥ控制器和ＭＡＸ５９４０ ＰＤ接口/控制器的ＰｏＥ供电系统简化设计方框图），因为ＰＤ必须向后兼容于中间ＰＳＥ.而１０μＡ的电流偏移是因为ＰＤ内部通常具有一定的泄漏。
另外，通过表２给出了另外一系列参数条件，任何满足这些条件的检测都将判定以太网设备为一个无效的ＰＤ.
但由于许多新一代ＰｏＥ设备所需的供电量往往超过目前的规定标准，因此如ＬＭ５０７２芯片设有特别的功能，容许芯片利用辅助电源提供的供电，而且最高电流可以设定为８００ｍＡ，使供电可高达２５Ｗ.其二、需要指出的是，在发展阶段，ＰＳＥ向ＰＤ释放电压斜波并寻找负载（２５ ｋΩ）产生的一个特性阻抗。如果并未检测到正确的阻抗，ＰＳＥ假定负载的ＰｏＥ并未激活并会关断ＰｏＥ的发送端。之后，系统将按照标准的以太网连接方式工作。如果检测到了阻抗信号，ＰＳＥ将进入分级阶段。信号识别电压是一个２．５~ｌ０Ｖ之间的斜波电压。一个２４．９ｋΩ的电阻即能为发现阶段提供正确的信号阻抗，见图２（ａ）所示。
（2）分级阶段：ＰＳＥ继续向ＰＤ施加斜波电压。在１５Ｖ至２０Ｖ范围内，分级阶段发生了。在电压转换期间，ＰＤ必须吸收一个特定的电流以确定器件的级别（见图２（ｂ）所示）。２４．９ｋΩ的识别电阻同样可以进行最简单的级别分级（ＣＩａｓｓ ０）。分级电流描述了ＰＤ在正常操作下所需要的功率大小。ＰＳＥ则将这一信息输送给控制器，使系统能够确定ＰＤ所需的总功率。下表１显示了分级电流及ＰＤ工作时对功率的要求。
（3）开启阶段：分级阶段后，当欠压锁定（ＵＶＬＯ）线路被释放及ＰＤ可以被供电后，ＰＳＥ继续抬高斜波电压，最高到３０Ｖ。此时需要软启动电路来控制由ＰＳＥ吸取的电流。图２（ｃ）显示了一个典型的欠压锁定电路。
通过这个过程，ＰＳＥ与ＰＤ共同决定了负载的特性并且仅会向具备ＰｏＥ功能的设备供电。在中央的系统控制器能够决定负载要求并且在ＵＰＳ预算供电失败的情况下根据实际需要合理分配功率。
２ 通过以太网供电成本的节省应用举例
用ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ芯片与分立设计成２８－５７ＶＤＣ， 通过以太网供电的输出功率１５Ｗ的多路输出ＤＣ／ＤＣ转换器，为此应先对ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ芯片性能及优势作介绍。
２．１ ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ＇性能及优势
ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ＇在一个ＣＭＯＳ芯片上集成了高频功率ＭＯＳＦＥＴ、ＰＷＭ控制器、故障保护及其它控制电路，有效地节约了成本。其性能包括短路及开环保护、可编程的限流点、输入电压欠/过压保护、迟滞热关断、软启动、反馈补偿及遥控开/关机。与传统的分立设计相比，ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ芯片可节省２０多个外围元件，极大地节省了电路板空间及成本。
（1）ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ特点是宽输入电压范围为１６~７５ＶＤＣ并支持反激及正激式拓扑；
省去了所有外围电流检测电路；用于输出过载/开环保护的自动重启动；电压模式控制器可实现７５％的占空比而无需斜波补偿，并提供５~１０ｋＨｚ的环路带宽；具有输入电压欠压（ＵＶ）检测并达到ＥＴＳＩ标准与输入电压过压（ＯＶ）关断保护及低成本同步整流器，线电压欠/过压关断保护限制了变压器输出的门极驱动电压范围；完全集成的软启动达到最小的器件应力/过冲；外部可编程的限流点可实现高效率低成本设计及功率控制；随输入电压的变化可编程的最大占空比以保证在正激式转换器设计中的磁芯复位。
（2）绿色节能：空载（１０ｍＡ ｔｙｐ）及遥控关机时（２ ｍＡｍａｘ）极低的能耗与轻载时跳频操作可以实现待机时的高效节能。其封装Ｓ、Ｐ及Ｇ均有无铅封装形式（１００％磨砂锡），符合Ｒｏｌｌｓ规定及达到ＪＥＤＥＣ的Ｊ－ＳＴＤ－０２０Ｃ标准。
（3）典型应用：可在ＰｏＥ用电设备，如ＶｏIＰ电话、ＷＬＡＮ及ＷＡＰ发送器、安全摄像机、条行码扫描仪、警报系统及烟雾探测器等设备上应用；又可在电信中央办公设备，如ｘＤＳＬ、ＩＳＤＮ、ＰＡＢＸ等与分布式供电架构（２４/４８Ｖ公交车等）及工业控制（２４/４８Ｖ）等设备上应用。
２．２ ２８－５７ＶＤＣ，通过以太网供电的输出功率１５Ｗ的多路输出ＤＣ/ＤＣ转换器设计组成
图2（c）为用ＤＰＡ４２４Ｐ ＤＰＡ－Ｓｗｉｔｃｈ芯片与其它分立元器件组成的多路输出ＤＣ/ＤＣ转换器设计图。现对各组成作分析。
（1）组成１－简化的ＰｏＥ接口电路：由包括发现识别阻抗的电路（２４．９ｋＷ由２．５~１０ＶＤＣ）与包括ＣＩａｓｓ ０级别分类的电路（Ｃ１ａｓｓ １，２及３的方案也包括在内）及低成本的双极性晶体管导通开关（至少８７％的效率）合成。
（2）组成２－集成的电流检测线路及电流限流点：具有严格的经过温度补偿的公差与无电流检测电阻（更高效率）；高功率设计也无需电流传感器，可使用Ｘ引脚电阻进行限流编程，最多减少六个元器件，可节省达０．２５美元；或另外用组成，如果采用集成的启动线路，则更高效（不会有“自举电路”的损耗），最多减少４个元器件，可节省达０．０５美元。
（3）组成３－集成的线电压检测线路：能准确的温度稳定性并提供欠压/过压保护，最多减少１０个元器件，可节省达０．２０美元。
（4）组成４－简单同步整流：用ＤＰＡ Ｓｗｉｔｃｈ芯片为线电压欠/过压关断保护限制了变压器输出的门极驱动电压范围，可节省达０．０５美元。
（5）组成５（ａ）－集成的热关断保护线路：能直接感应功率ＭＯＳＦＥＴ温度；具备迟滞特性且能自动再启动；宽的迟滞防止高的平均温度出现；最多可减少４个元器件；可节省达０．１５美元。或用另外组成集成的电压模式控制器：大于５０％占空比运行而无需谐波补偿；最多减少１０个元器件；节省达０．１５美元。
（6）组成６，精确集成的振荡器－无需外围元件；严格的公差并具有稳定的温度系数；可选３００/４００ｋＨｚ操作；最多减少５个元器件；节省达０．０５美元。
（7）组成７散热器连接至源级：散热片连接到源级降低ＥＭＩ（电气上的“安静”点）；降低ＥＭＩ滤波器成本；节省达０．２０美元。
３ 新型以太网供电（ＰＯＥ）举例
３．１ 超高集成度的ＰＯＥ电源以提升可靠性并降低尺寸和成本
它专为以太网供电（ＰＯＥ）系统的受电设备（ＩＰ电话，ＷＬＡＮ接入点和，ＩＰ相机）和供电设备（交换机/路由器和中跨）而优化的ＭＡＸ５０７４．图3为ＭＡＸ５０７４应用示意图。
（1）提高了性能：采用同步整流效率超过９０％；保证工作于高达＋１２５℃结温；高达１５Ｗ的输出功率。
（2）提高了可靠性：无限期短路保护和打嗝式阻流降怔短路期间的功耗及热关断保护内部率ＭＯＳＦＥＴ.
（3）降低了成本：“前瞻信号”驱动副端同步整流器；无需复位绕组/二极管/电容器；故障保护无需外部元件。
（4）降低尺寸要求：集成的功率ＭＯＳＦＦＥＴ和高达５００ｋＨ的开关频率降低外部元件的尺寸。
３．２ 专为以太网供电设计完全兼容于ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ的新款电源开关ＭＡＸ５９２２
ＭＡＸ５９２２高集成度方案节省板上空间和成本，ＩＥＥ８０２．３ａｆ兼容更高的集成度/可靠性，更低成本。其主要特性：内置０．４５０功率ＦＥＴ；设计灵活，即检测禁止输入允许用户跌过检测和分类阶段，可选的欠流负载切断功能，冲突避免检测输入允许用户将器件配置为Ｍｉｄｓｐａｎ工作模式，可选的镇定或自动再试故障管理。图４为ＭＡＸ５９２２引脚功能与应用示意图。
４ 一种设计简单成本较低可用于ＰｏＥ供电系统的ＤＣ/ＤＣ转换器设计
从线路布局的角度看，反激式转换器非常适合于ＰｏＥ供电系统，而事实上反激式转换器也很受欢迎。反激式转换器不但设计极为简单，而且兼顾了成本和效率，适用于隔离式的多输出供电系统，可为典型的应用提供低至几瓦、高至２０Ｗ～３０Ｗ的输出功率。
虽然进行低功率操作时，反激式转换器通常都采用非连续导电模式（ＤＣＭ），但连续导电模式（ＣＣＭ）的效率最高，因为以某一输出功率为基准作比较，初级线圈场效应晶体管的均方根（ＲＭＳ）电流较小。以连续导电模式为例来说，反激式转换器的右半平面零的频率下限可以利用以下公式计算：
在上述公式中，Ｖｉｎ为输入电压、Ｄ为初级线圈场效应晶体管的占空比、ｌｉｎ为平均输入电流，而Ｌ则为变压器的磁化电感。上述采用连续导电模式操作，变压器的磁化电感值一般均设定为１００μＨ.若最低输入电压为２６Ｖ、最高输入电流为３６０ｍＡ，而初级线圈场效应晶体管的相关占空比数值为０．４，若根据以上的数值运算，右半平面零无论在任何操作情况都会处于６４ｋＨｚ的频率下限。对大部分ＰｏＥ设备来说，这个频率下限对反馈补偿器的设计只会有微不足道的影响。
反激式连续导电模式不但设计简单、成本较低，而且还可发挥极高的效率，是ＰｏＥ设备普遍采用的设计方案。由于ＬＭ５０７０、ＬＭ５０７１及ＬＭ５０７２等几款控制器是高度集成的电路，因此供电系统只需添加极少的外置元件，便符合ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准的要求。图6是ＰｏＥ供电系统的典型应用电路图，图中的电路采用ＬＭ５０７２芯片。这是一款内置１００ＶＰｏＥ用电设备接口并可支持后备电源的ＰＷＭ控制器，采用Ｌ备都可利用后备电源的供电，其中也包括交流电。
以采用连续模式反激式转换器的电路布局为例，采用快速ＰＷＭ电流模式控制器会较为理想，因为这样不但可以控制及限制输入电流的流量，而且还可稳定同一电路的输出电压。此外，也可调节功率晶体管的占空比，以便控制线路及电流的瞬态响应。占空比的大小取决于输出电压的误差及锯齿波形，而两者都取决于流入外置电流传感电阻的初级线圈电感电流。
可将电流传感信号与内部参考电压加以比较，以便为每一周期设定限流值。也可为电流斜波信号提供内部斜率补偿，以便解决占空比超过５０％时分谐波振荡所产生的内部不稳定问题。
