一種以太網(wǎng)供電的隔離型反激式PD控制器設(shè)計

陳君毅，陳偉，林欽堅，賓顯文

(廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 基礎(chǔ)研究院，廣州 511400)

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一種以太網(wǎng)供電的隔離型反激式PD控制器設(shè)計

陳君毅，陳偉，林欽堅，賓顯文

(廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 基礎(chǔ)研究院，廣州 511400)

摘要:本PD控制器集成開關(guān)穩(wěn)壓器，內(nèi)置同步反激式控制器，符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)，提供25.5 W的高功率輸出。支持寬電壓輸入及外部輔助電源輸入，具有欠壓、過壓、過流和熱保護(hù)功能，在大負(fù)載的情況下電源效率達(dá)到88%。實際PD模塊驗證表明，該電源模塊在以太網(wǎng)供電應(yīng)用領(lǐng)域，具有很突出的優(yōu)勢，拓寬了以太網(wǎng)電纜供電的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞:PD控制器；反激；隔離；PoE

引言

以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)，優(yōu)勢在于利用雙絞線能夠同時傳輸DC功率和數(shù)據(jù)，并保持現(xiàn)有的以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容。通過PoE技術(shù)，在保證了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全的同時，極大地優(yōu)化了供電設(shè)備結(jié)構(gòu)布線布局，能夠遠(yuǎn)程維護(hù)和管理，成本也更低。本文提供一種符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)的PD控制器，與現(xiàn)有的PD硬件方案比較，本電路具有以下優(yōu)勢：

① 能提供更高的功率輸出，電源效率>92%;

② 新型的無光隔離器反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

③ 集成欠壓、過壓和熱保護(hù)功能;

④ 支持輔助電源接入，供電設(shè)備切換靈活。

1方案設(shè)計

本文采用的IC控制器是凌力爾特公司的LTC4269-1,該模塊集成了開關(guān)穩(wěn)壓器的PD控制器，符合IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)部集成了同步反激式控制器，因此選用反激式變壓器來實現(xiàn)能量的傳遞。相對于正激式變壓器，反激式變壓器的優(yōu)點在于電路簡單、轉(zhuǎn)換效率高、輸入電壓范圍大和匝數(shù)比值小。

本PD控制器，采用凌力爾特公司的無光耦隔離器反饋專利技術(shù)。在傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，通常使用帶光耦隔離的電壓反饋控制調(diào)節(jié)輸出電壓。光耦反饋正是利用原邊電流變化導(dǎo)致副邊電流變化來實現(xiàn)反饋的，其電路需嚴(yán)格設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在較寬的線性帶內(nèi)，并且光耦合電流放大系數(shù)受溫度影響較大，會隨著溫度變化而變化，所以光耦合器電路設(shè)計復(fù)雜，溫度敏感性高，光耦合容差導(dǎo)致易變?yōu)榄h(huán)路增益。PD控制器采用無光耦隔離器反饋技術(shù)，即使用第三繞組來實現(xiàn)電壓反饋。它利用法拉第電磁感應(yīng)定律，在功率管關(guān)斷期間，變壓器兩端的匝數(shù)比值是恒定值，因此可以反映輸出電壓的大小。該電路簡單、設(shè)計方便且抗干擾能力強(qiáng)。因此，變壓器選擇正反激組合型。

圖1　主電路設(shè)計模塊

主電路設(shè)計模塊如圖1所示。對于該電路，初級晶體管的開關(guān)狀態(tài)剛好與次級晶體管的狀態(tài)相反。當(dāng)初級MOSFET導(dǎo)通時，輸入電壓Vin加在初級電感線圈上，電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲在初級電感線圈上，而次級MOSFET斷開，負(fù)載功率由輸出電容提供。當(dāng)初級MOSFET斷開時，初級電感線圈磁能通過互感耦合到次級線圈，而次級MOSFET導(dǎo)通，為負(fù)載提供能量。與此同時，次級電感線圈將磁能傳遞到第三繞組，實現(xiàn)電壓反饋。

2硬件電路設(shè)計

具體硬件實現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2　硬件實現(xiàn)電路圖

輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系：

圖4　轉(zhuǎn)換效率及輸出電壓與負(fù)載電流關(guān)系

其中，NSF為變壓器初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比；DC為MOSFET工作周期；反饋電壓由輸出電壓Vout所決定。

其中，RDS(ON)為第二繞組MOSFET導(dǎo)通電阻，ISEC為變壓器次級電流，ESR為變壓器第二繞組阻抗和電容器阻抗；NSF為變壓器有效的第二繞組和第三繞組的匝數(shù)比(即NS/NFLBK)。

反饋電壓通過外部電阻R1和R2分壓，進(jìn)入到LTC4269-1的FB引腳，VFLBK和VFB的關(guān)系為：

LTC4269-1內(nèi)部是一個反饋放大器，通過比較VFB與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，調(diào)整原邊MOSFET和副邊的PWM波形，從而起到了調(diào)節(jié)輸出電壓Vout的作用，使其調(diào)整到預(yù)設(shè)的輸出電壓值。

欠壓保護(hù)，Vin通過R3和R4分壓，進(jìn)入UVLO引腳，實現(xiàn)對輸入電壓的監(jiān)控，當(dāng)分壓電壓低于閥值1.24 V時，LTC4269-1芯片進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

過流保護(hù)，通過R7電流采樣電阻對MOSFET的電流進(jìn)行采集監(jiān)控。當(dāng)流過R7的電流過高、Vsense+引腳電壓高于閥值98 mV時，將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，LTC4269-1將停止工作。

3Layout注意事項

變壓器兩端的接地應(yīng)嚴(yán)格隔離分開，MOSFET與繞組形成的閉合回路應(yīng)盡可能短。保證短的路徑和小的環(huán)路，可以極大改善開關(guān)噪聲以及切換過程的漏感，減少能量損耗。具體電路布局情況如圖3所示。

圖3　實現(xiàn)電路Layout

4性能測試

實際設(shè)計輸入電壓為42 V，輸出電壓為12 V，輸出功率達(dá)25.5 W，在大負(fù)載情況下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到88%。實際測試與數(shù)據(jù)分析證明，該模塊均能滿足設(shè)計要求。實測結(jié)果如圖4所示。

結(jié)語

參考文獻(xiàn)

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[5] 敖志剛.萬兆位以太網(wǎng)及其實用技術(shù)[M] .北京:電子工業(yè)出版社,2007.

Isolated Flyback PD Controller in Ethernet Power Supply

Chen Junyi,Chen Wei,Lin Qinjian,Bin Xianwen

(Basic Research Institute,Hi-Target Surveying instrument Co.,Ltd.,Guangzhou 511400,China)

Abstract：The PD controller integrates the switching regulator and the synchronization flyback controller,which is in accord with IEEE802.3at standard,and can provide 25.5 W high power output.The controller supports wide voltage input and the external auxiliary power input,has the protection functions such as under voltage,over voltage,over current and thermal protection functions.In the case of large load power,the efficiency can reach 88%.The actual PD module verification shows that the power supply module has prominent advantage in Ethernet power supply applications,broadens the application range of the Ethernet cable power supply.

Key words:PD controller;flyback;isolation;PoE

中圖分類號:TN973.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A