由以太網(wǎng)絡(luò)供電獲得更大功率

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以太網(wǎng)端口獲取功率，文中將概括說明每種電路,，以及實際運作時面對的部份設(shè)計問題,。

關(guān)鍵詞： 電源管理以太網(wǎng)絡(luò) 電端設(shè)備負載電流光耦合器

Abstract：

Key words :

作者：Brian King 與 Robert Kollman,，德州儀器

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以太網(wǎng)端口獲取功率,，文中將概括說明每種電路,，以及實際運作時面對的部份設(shè)計問題,。

簡介

以太網(wǎng)供電 (Power over Ethernet, PoE) 已經(jīng)是一種普遍的概念,，并被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電話、保全監(jiān)控系統(tǒng),、收款機等產(chǎn)品,。PoE藉由以太網(wǎng)聯(lián)機來傳輸電源。在 PoE 供電網(wǎng)絡(luò)中,，由供電端設(shè)備 (power source equipment, PSE) 提供電源,，在以太網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機產(chǎn)生 44 - 57 V 的輸出電壓；在以太網(wǎng)聯(lián)機的另一端,，受電端設(shè)備 (powered device, PD)會消耗這些功率,。雖然目前正在定義較高功率的以太網(wǎng)絡(luò)供電標準，不過現(xiàn)在受電端設(shè)備可用的功率,，在單一以太網(wǎng)聯(lián)機的情況下限制在 13W 左右,。遺憾的是，這樣的功率往往不足以支持復(fù)雜的應(yīng)用,，因此某些高功率的受電端設(shè)備,，需要將多個連接埠的功率轉(zhuǎn)換為可用電壓，并與 48V 輸入電壓的電流隔離,。目前有多種技術(shù)，可由多重輸入來源提供隔離的功率轉(zhuǎn)換,，簡介如下,。

下降法

DC/DC并聯(lián)電源普遍使用的一項技術(shù),，就是所謂的下降法。如果并聯(lián)電源的輸出電壓降低,，負載電流升高,，并聯(lián)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(xiàn)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,，只需要限制控制回路的直流電增益,，就能產(chǎn)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，并將誤差注入補償放大器 (U1A) 的調(diào)節(jié)回路中,，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。

圖 1：下降法需要增加的零件很少

遺憾的是,，下降分享方式并非　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(shè)計的額定設(shè)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(tài)下的組件公差。如果將這些電源以并聯(lián)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(diào)節(jié)輸出電壓。如果電源使用如圖 1 所示的二極管調(diào)節(jié),，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，之后輸出第二高的電源開始提供電流,。以上述假設(shè)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(xiàn)象并不理想,，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,，之后由剩余的兩個電源負責(zé)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(gòu),，可以讓電源供應(yīng)或吸入輸出電流，這對于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(diào)節(jié)高電流端與低電流端。如果在沒有負載時發(fā)生這種情況,，有些電源會供應(yīng)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,。

圖 2：下降法的最差電流分享相當(dāng)糟糕,。

交錯式返馳

平衡多重輸入功率的另一項技術(shù)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,，并將電源供應(yīng)至一個共同輸出。和下降法不同之處,，在于交錯功率級（或稱相位）共享一個通用的一次側(cè)（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享同一回路 (return),，因此在某些應(yīng)用中無法使用這種方法。

許多脈寬調(diào)變 (PWM) 控制器專門針對交錯法進行設(shè)計,，如果只需要兩種相位,，可以使用推挽式控制器（push-pull controller）執(zhí)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，這種芯片會限制每個相位的負載周期至 50%，并將兩個功率級以 180 度的反相位方式進行轉(zhuǎn)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(xù)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(shù)可以使兩個輸入電源的功率差距縮減到 5% 以內(nèi)。初級金氧半晶體管（MOSFET）的切換延遲是造成不均衡狀態(tài)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,，而負載周期箝位會在欠壓與失效狀況下限制輸入電流,。

圖 3：推挽式控制器驅(qū)動交錯式返馳

使用二次側(cè)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(cè)負載分享芯片來實現(xiàn),。采用此方式,，具有遠程感測能力的獨立電源，不管數(shù)量多寡,，均可共享同一輸出,。負載分享芯片常與電源模塊共享，請參考圖 4的范例,。一個分流電阻被用來測量每個轉(zhuǎn)換器所供應(yīng)的電流,。因為公差與寄生阻抗，其中一個電源將供應(yīng)較多的電流,，此電源會作為主電源,，并將在負載分享 (LS) 總線上設(shè)定電壓，從屬單元使用此負載分享總線電壓作為輸入?yún)⒖?，以控制自己的輸出電流,。如果要調(diào)整從屬單元，可以在從屬轉(zhuǎn)換器的遠程感測導(dǎo)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(diào)節(jié)。使用這種主／從方式,，可以產(chǎn)生非常好的電流分享準確度,，一般來說在完全負載時優(yōu)于 3%。

由于每個并聯(lián)電源都需要一個負載分享控制器,，以及外部的分立組件,，因此這種方法的組件數(shù)量與成本略高于下降法與交錯法。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(fā)生問題。

圖 4：UCC39002 負載分享控制器可以并聯(lián)獨立電源,。

主／從隔離一次側(cè)電流分享

另一項可使用于并聯(lián)電源的技術(shù),，就是感測一個初級電流（主），然后與另一個電流比較（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信息，同時維持隔離狀態(tài),。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,，相較于光耦合器,，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(shù)比公差與電阻公差所決定,，前者優(yōu)于 2%,，后者數(shù)值一般為 1%。光耦合器的準確度則依賴電流轉(zhuǎn)換率公差,，最好的狀況為 30%,。

結(jié)論

表 1 顯示四種負載分享方式的比較結(jié)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(fā)生單點失效情形,。一般而言,，效能最佳的技術(shù)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(shù),，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,、以太網(wǎng)絡(luò)供電輸入數(shù)目,、以太網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該選用何種方法,。為你的應(yīng)用使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，可由以太網(wǎng)絡(luò)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

	復(fù)雜程度	成本	共同功率回路	單點故障	負載調(diào)節(jié)	負載分享準確度
下降法	簡單	$$	否	否	差	差
交錯法	一般	$	是	是	非常好	良好
負載分享 IC	一般	$$$	否	是	非常好	非常好
光耦合器 / 電流變壓器電流分享	復(fù)雜	$	否	是	非常好	良好

參考數(shù)據(jù)

如需下載產(chǎn)品數(shù)據(jù)表，或了解有關(guān) UCC2808 與 UCC39002 的詳細信息，請參考網(wǎng)站：http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/ucc39002.html 或 www.ti.com/sc/device/ucc2808,。

關(guān)于德州儀器功率解決方案的更多信息,，請參考：www.ti.com.cn