TI提供省去外接電源的以太網路電源架構Power over Ethernet

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

以太網路供電 (Power over Ethernet, PoE) 已經是一種普遍的概念，并被應用于網絡電話、保全監控系統、收銀機等產品。PoE借由以太網路連線來傳輸電源。在 PoE 供電網絡中，由供電端設備 (power source equipment, PSE) 提供電源，在以太網路連線產生 44 - 57 V 的輸出電壓；在以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以太網路供電標準，不過現在受電端設備可用的功率，在單一以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復雜的應用，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，并與 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并聯電源普遍使用的一項技術，就是所謂的下降法。如果并聯電源的輸出電壓降低，負載電流升高，并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，只需要限制控制回路的直流電增益，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，并將誤差注入補償放大器 (U1A) 的調節回路中，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。如果將這些電源以并聯方式連接，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 所示的二極管調節，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，之后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。

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，并將電源供應至一個共同輸出。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回路 (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芯片來實現。采用此方式，具有遠端傳感能力的獨立電源，不管數量多寡，均可共享同一輸出。負載分享芯片常與電源模組共用，請參考圖 4的范例。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，并將在負載分享 (LS) 總線上設定電壓，從屬單元使用此負載分享總線電壓作為輸入參考，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傳感導線上注入電壓，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于 3%。

由于每個并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、移除個別電源時發生問題。

圖 4：UCC39002 負載分享控制器可以并聯獨立電源


主／從隔離一次側電流分享

另一項可使用于并聯電源的技術，就是傳感一個初級電流（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比公差與電阻公差所決定，前者優于 2%，后者數值一般為 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、以太網路供電輸入數目、以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，可由以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