基于SI3402 的以太網(wǎng)供電電源設(shè)計及實現(xiàn)

趙冬青，康 宇，上官鵬，儲成群

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，山西太原 030051；2.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100032）

隨著智能家居以及工業(yè)自動生產(chǎn)線的不斷發(fā)展，有源以太網(wǎng)（POE）供電技術(shù)作為工業(yè)以及日用電器的伴生技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步[1]。POE 供電是通過局域網(wǎng)線由設(shè)備端提供48 V 工作電壓供電，網(wǎng)絡(luò)終端無需采用電源適配器單獨(dú)供電[2]。在POE 供電誕生之初，并沒有得到IEEE 批準(zhǔn)的統(tǒng)一供電標(biāo)準(zhǔn)，而是采用空閑對供電作為主要的供電方式[3]。2003 年6 月，IEEE 批準(zhǔn)通過了IEEE 802.3af（15.4w）標(biāo)準(zhǔn)，它首次明確了遠(yuǎn)程系統(tǒng)中電力檢測和控制事項，并對路由器、交換機(jī)、集線器、IP 電話以及其他以太網(wǎng)接入設(shè)備的供電方式進(jìn)行了約束。

至此，POE 供電走向了微型化與大功率化兩個方向，現(xiàn)今在IEEE802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)中，POE 受電設(shè)備功率在TYPE4 中可達(dá)到90 W[4]。而對于小型化來說，許多以太網(wǎng)小型家用電器與工業(yè)設(shè)備都得到了POE供電的支持，支持POE 供電也漸漸成為了客戶對小型用電器的一個重要要求。

SI3402 是芯科（SILICON LABS）推出的一款集成了以太網(wǎng)供電功能的電源管理和控制功能的芯片，其供電原理是基于反激式開關(guān)電源的POE 供電技術(shù)。開關(guān)電源是一種高頻化的電能轉(zhuǎn)化裝置，輸出電壓由開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷在固定周期內(nèi)所占時長控制[5]。而反激式開關(guān)電源是在初級線圈被電源激勵時輸出端無激勵產(chǎn)生的，當(dāng)初級端開關(guān)關(guān)斷時次級端才向負(fù)載提供輸出的開關(guān)電源，擁有安全隔離、輸出穩(wěn)定、外圍電路簡單的特性[6]。SI3402 可將通過10/100/1 000 兆以太網(wǎng)提供的高壓電源轉(zhuǎn)化為可調(diào)節(jié)的低壓輸出電源，可支持IEEE802.3 TYPE1(CLASS3 及以下功率)，實現(xiàn)了IC 與RJ45 連接器的直接連接，并且本身為5 mm×5 mm 小封裝，節(jié)省了大量布板空間成本，所以SI3402 是小型電器設(shè)備POE受電端電源管理芯片的優(yōu)秀選擇。

1 反激式開關(guān)電源的原理

1.1 反激式開關(guān)電源的基本原理

如圖1 所示，反激式開關(guān)電源的硬件系統(tǒng)由二極管整流電路、DC-DC 轉(zhuǎn)換電路、反饋控制電路幾部分組成。反激式隔離DC-DC 的工作原理如下：

圖1 反激式開關(guān)電源硬件系統(tǒng)圖

1）二極管整流橋?qū)⒔蛔冸妷恨D(zhuǎn)換為正向脈動電壓；2）反激式變壓器初級線圈充能，CMOS 開關(guān)開啟，此時次級端由于二極管反向截止，不會輸出電壓；3）CMOS 開關(guān)關(guān)閉，次級線圈輸出，為濾波儲能電容電感充能，儲能濾波電容電感向用電端供能；4）輸出電壓與基準(zhǔn)電壓源形成壓差，通過光耦與限流電阻反饋回誤差放大器，從而控制占空比，穩(wěn)定輸出電壓[7]。

1.2 反激式開關(guān)電源元件參數(shù)選擇原理

根據(jù)需求的功能選擇開關(guān)電源外圍電路參數(shù)，是硬件電路設(shè)計的重要部分。其中，反激式開關(guān)電源供電電路中需要選擇的外圍電路參數(shù)有儲能變壓器初次級端線圈參數(shù)、開關(guān)場效應(yīng)管參數(shù)、輸出整流濾波電路元件參數(shù)、采樣反饋回路元件參數(shù)以及PWM 控制芯片的參數(shù)。

電壓變換電路的變壓器初次級線圈在工作電路中起到儲能作用，線圈的儲能能力與受電端功率關(guān)系到反激式開關(guān)電源的工作方式[8]。初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比影響著變壓器峰值電流與開關(guān)場效應(yīng)管的最大耐壓值，需仔細(xì)選型。

當(dāng)線圈工作在斷續(xù)工作模式時，線圈每一輪供電將完全釋放儲存的電能,并且所有能量都將由線圈提供，設(shè)計時需留有一定的損耗裕度(ε)，一般將ε記為90%，輸出功率公式如下：

其中，Po、Io以及Vo分別為輸出功率、輸出電流以及輸出電壓，Ip、Lm、f分別為初級端峰值電流、磁化電感以及開關(guān)頻率。

次級端輸出電壓根據(jù)設(shè)計需要選取相應(yīng)的匝數(shù)比，評估產(chǎn)品時，對初次級端峰值電流也要有相應(yīng)的考量，否則會出現(xiàn)變壓器過熱、壽命減短，甚至功能錯誤等問題。

次級端電流求取公式如下：

其中，N為初次級線圈匝數(shù)比，Vf為二極管正向?qū)妷?，Vp為初級端峰值電壓，通過開關(guān)管耐壓值可以確定容許的最大匝數(shù)比N。上述公式中變量皆為已知量，若工作于斷續(xù)傳輸狀態(tài)，則輸出電流如式（2）所示，若輸出電流大于Io，則因為變壓器初次級端將時刻有電流流過，從而工作于連續(xù)模式。

根據(jù)變壓器需求，如工作于連續(xù)模式下，則占空比趨于恒定，與負(fù)載電流的變化無關(guān)，占空比計算公式如下：

在連續(xù)工作模式下，開關(guān)管接通時有如下關(guān)系式：

其中，Iavg為初級端均值電流。

在連續(xù)工作模式下，當(dāng)開關(guān)管接通時，初級端電流將發(fā)生變化，其中變化電流ΔI計算公式如下：

通過上述公式可求得初級端峰值電流Ip，以供選取連續(xù)傳輸模式下變壓器具體參數(shù)，計算方法如下述公式所示：

選擇變壓器參數(shù)要根據(jù)實際需求出發(fā)，一味地增大感值會增加多余的空間成本以及經(jīng)濟(jì)成本。增加匝數(shù)比將減小峰值電流（尤其是一次側(cè)），但與此同時會增加開關(guān)管的電壓與開關(guān)管的峰值電壓。在電路中一般使用鉗位電路限制開關(guān)管兩側(cè)壓值，起到了保護(hù)開關(guān)管以及降低開關(guān)管耐壓值需求，從而節(jié)約成本的目的。匝數(shù)比還需要由受電端需求的輸出電壓確定。斷續(xù)傳輸和連續(xù)傳輸也各有優(yōu)勢，斷續(xù)傳輸應(yīng)用于低功率負(fù)載，連續(xù)傳輸則應(yīng)用于大負(fù)載電路。連續(xù)傳輸模式輸出電壓紋波相比斷續(xù)模式較小，且連續(xù)模式輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān)。斷續(xù)模式雖然輸出電壓受負(fù)載電流影響，且為控制占空比恒定，占空比需要隨負(fù)載電流變化，但斷續(xù)傳輸模式的轉(zhuǎn)換效率明顯更高，且斷續(xù)模式感量小，儲能變壓器體積較小，且初級端功率管再次開啟前電流已經(jīng)下降到0，沒有二極管反向恢復(fù)引起的振鈴現(xiàn)象和由此產(chǎn)生的EMI 問題[9]。在設(shè)計SI3402 外圍電路時，應(yīng)根據(jù)實際需求，根據(jù)上述公式，通過擬定各變量以尋求適合產(chǎn)品方案的最優(yōu)解。

2 SI3402的外圍電路設(shè)計實例與器件選擇

2.1 SI3402-C的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

如圖2 所示，SI3402-C 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含內(nèi)置整流橋與保護(hù)模塊、POE 設(shè)備檢測以及功率選級模塊、熱插拔與負(fù)載電流限制模塊、熱插拔控制與偏置模塊、PWM 控制和EMI 限制、輸出端開關(guān)管。

圖2 SI3402-C內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

RDET 與RCL 引腳分別為PSE 端對PD 設(shè)備的檢測端和功率分級端，通過供電設(shè)備向受電設(shè)備傳輸?shù)膬蓚€間隔1 V 以上的電壓，通過得到的兩個電流值，判定受電設(shè)備以及功率分級[10]。CT1、CT2、SP1、SP2攜帶的交流輸入通過內(nèi)置整流橋整流成為正向脈沖電壓，通過VPOSF 供給到POE 變壓器初級側(cè)。HSO熱插拔開關(guān)控制了系統(tǒng)的啟動，保證設(shè)備的輸入電壓在正常區(qū)間內(nèi)啟動。通過FB、EROUT 引腳接收的反饋控制了SI3402輸出的電壓占空比，穩(wěn)定輸出電壓。

2.2 SI3402-C的外圍電路設(shè)計

SI3402 原理圖如圖3 所示，圖中CT1、CT2、SP1、SP2 信號是RJ45 連接器通過以太網(wǎng)變壓器得到的4根中心抽頭，作為電壓輸入端，RCL 作為POE 供電功率選擇端，RDET 為POE 供電檢測引腳，通過控制RDET阻值即可控制RDET 端的輸入電流。

圖3 SI3402原理

如表1 所示，SI3402 的最大輸出功率由輸入端引腳RCL 的輸入電流決定。通過控制圖3 中R5阻值即可改變RCL 引腳的輸入電流，從而控制功率等級的選擇。

表1 受電功率選擇表

功率等級對應(yīng)的輸出功率及其他參數(shù)如表2 所示，可見PSE 端到PD 端功率轉(zhuǎn)化效率隨PSE 端輸出功率增大而減小，PD 端最終的輸出功率為PD 最大輸入功率的80%，即實際輸出功率。

表2 功率等級參數(shù)表

根據(jù)IEEE 802.3af 協(xié)議，PSE 端在與PD 端接通后將送出一個小電壓用于檢測受電設(shè)備是否支持POE 供電，一般RCL 端輸入電阻選擇24.3 kΩ。如在設(shè)計中使用外置整流橋，由于溫度對整流橋電路的影響，需要24.9 kΩ 的電阻將電流控制在要求范圍內(nèi)。SI3402 帶有片上整流橋，在輸出功率較低的情況下可以使用SI3402 內(nèi)置整流橋，SI3402 的結(jié)溫為140 ℃，在160 ℃下將關(guān)斷。在輸出功率較高的情況下需要考慮使用外置整流橋，防止SI3402 過熱，然而不論是否使用外置整流橋，SI3402 都需要在Layout中單獨(dú)提供一層散熱平面以供散熱。

如圖3 所示，SI3402 在工作模式下將向變壓器輸入端提供57 V 脈動電壓，且設(shè)計的輸出功率與輸出電壓已知，則根據(jù)式（2）與實際設(shè)計需求，可得到符合工程要求的設(shè)計，初級端感值Lm為40 μH，開關(guān)頻率受SI3402 限制，為350 kHz，由于輸出功率與輸出電壓受限于工程需求，損耗裕度默認(rèn)為90%，能夠接受的變壓器體積成為設(shè)計參數(shù)的主要影響因素。

在反激式開關(guān)電源中，縱使處于連續(xù)工作模式下，在初級端電流流動時，次級端依舊是沒有電流流動的，因此輸出中總會有較大的紋波，必須在輸出端用濾波電路來處理輸出[11]，所以在輸出端使用π 型濾波器處理電源紋波。雖然RC 濾波器能夠節(jié)約成本和布板空間，但LC 濾波效果更好且衰減更小，因此選用了LC 濾波。LC 濾波中，為獲得更小的ESR，可以采用并聯(lián)電容作為LC 濾波的次級電容。

TLV431 通過取樣電阻來檢測輸出電壓的變化量ΔU，然后將采樣電壓送入TLV431 的輸入控制端，與TLV431 的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，則輸出電壓也因此發(fā)生變化，從而使光耦TLP281 中發(fā)光二極管的工作電流呈線性變化。光電耦合器輸出電流通過SI3402內(nèi)置的誤差放大器[12-13]，并通過脈寬調(diào)制穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓滿足設(shè)計需求。

D3、D4、整流二極管和瞬態(tài)抑制二極管形成TVS 瞬態(tài)抑制電路。鉗位電路共有三種拓?fù)?，分別為TVS、RCD、LCD[14-15]，其中TVS 拓?fù)潆m然擁有最差的電源轉(zhuǎn)化效率，但對開關(guān)管的保護(hù)效果最好，開關(guān)管兩端波形最平滑，對開關(guān)管要求最低，故而選用TVS 拓?fù)洌瑢I3402 輸出端脈動電壓尖峰抑制在開關(guān)場效應(yīng)管耐壓值的80%以下，以確保開關(guān)場效應(yīng)管工作正常。

3 基于SI3402 的POE 供電的實現(xiàn)與實機(jī)測試

3.1 供電系統(tǒng)的測試要求

由于受電端電源管理模塊的設(shè)計初衷是為監(jiān)控及工業(yè)相機(jī)提供穩(wěn)定、安全的供電方法，為長時間、穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn)或安保系統(tǒng)提供受電端的保障。所以對于POE 供電模塊的測試提出了以下幾點(diǎn)要求：1）具有長時間連續(xù)工作的能力；2）為前端傳感器提供的電源穩(wěn)定可靠、紋波低于設(shè)計值、支持圖像傳感器正常工作；3）工作過程中各部分波形符合設(shè)計理論情況[16-20]。

供電模塊部分器件由于長時間工作于極限狀態(tài)，將導(dǎo)致供電模塊易失效、易損毀。有幾個比較重要的關(guān)鍵波形與數(shù)值需在功能有效的情況下單獨(dú)測試，以確保產(chǎn)品可靠，如變壓器輸入端峰值電流、輸出端紋波、開關(guān)管峰值電壓。

3.2 供電系統(tǒng)的實機(jī)測試

為測試實際效果，SI3402 電源管理模塊實物如圖4 所示，其中左圖為頂部，右圖為底部。

圖4 SI3402電源管理模塊實物圖

如圖5 所示，根據(jù)設(shè)計要求，為受電設(shè)備供給12 V 直流電源，電壓上升時間（90%）為2 ms，圖中可見電壓上升平穩(wěn)，未見上電過程中掉電的情況，也無明顯的過沖現(xiàn)象。如圖6 所示，為防止高頻噪聲干擾電源紋波的測量，示波器調(diào)整為20 MHz 交流檔位以檢測電源紋波，電源輸出紋波為20 mV，為輸出電壓的0.2%，符合設(shè)計之初低于壓值1%的設(shè)計要求。經(jīng)測得，線圈次級端輸出功率為3.5 W，電流為0.3 A，工作于斷續(xù)模式下，與通過式（2）中理論計算得到的次級端輸出電流基本一致，選擇的變壓器與線圈符合設(shè)計需求，滿足了預(yù)設(shè)計需求。

圖5 SI3402上電中電源管理模塊上電波形圖

圖6 SI3402電源模塊輸出電壓紋波圖

開關(guān)管兩端電壓波形如圖7 所示，可見開關(guān)管峰值電壓無尖峰，可見TVS 電路對開關(guān)管保護(hù)效果顯著。

圖7 SI3402開關(guān)管電壓波形圖

POE 供電模塊在實驗中可至少連續(xù)工作一個月，且產(chǎn)品已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)線上使用，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)線以及監(jiān)控安保設(shè)備對產(chǎn)品長時間連續(xù)工作的需求，且傳感器對輸入電壓穩(wěn)定性的要求也得到了滿足。

4 結(jié)論

文中實現(xiàn)了一種基于SI3402 的POE 供電受電端電源管理電路，該電路具有長時間穩(wěn)定工作的能力，并且已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)品中，獲得了較好的反響。同時，SI3402 的POE 供電電路原理以反激式開關(guān)電源的設(shè)計角度，闡釋得較為清楚，能對今后需求SI3402 或其他POE 供電受電端電源管理芯片的設(shè)計提供一定的參考意義。

經(jīng)過實機(jī)測試，理論計算與實際結(jié)論基本一致，輸出電源穩(wěn)定，證明了設(shè)計思路的可行性，但有所不足的是，如果在電源供電和POE 供電同時連接的情況下，電源突然停擺后無法做到電源到POE 供電的快速轉(zhuǎn)換，約有3.5 ms 的供電延時，攝像頭組將停止工作并重啟，后續(xù)將繼續(xù)思考優(yōu)化與改進(jìn)方案。且根據(jù)IEEE 802.3af 協(xié)議的約束，PSE 端到PD 端的線纜總阻值只允許最高為20 Ω，這意味著PSE 端到PD端的線纜長度受到了不能超過100 m 的限制，今后，POE 供電的便利性仍有待提高。