Технология питания через сеть Ethernet (PoE) — технология объединения питания и данных в одном стандартном кабеле сети Ethernet. В сетевом оборудовании, например в IP-телефонах, камерах наблюдения, узлах радиосетей и даже музыкальных инструментах, используется технология РоЕ. В данной статье описываются практические подходы к разработке обратноходовых преобразователей для реализации технологии РоЕ на основе интегральной схемы LM5070 компании National Semiconductor, которая представляет собой однокристальное решение источника питания через сеть Ethernet с поддержкой всех функций, необходимых для получения высокоэффективной разработки.
Устройства с питанием через сеть Ethernet (РоЕ) стремительно набирают популярность, так как РоЕ-устройства не требуют применения источников питания с настенным монтажом, и за счет этого снижается общая стоимость системы. Кроме того, широкая распространенность по всему миру разъемов питания RJ-45 гарантирует глобальную совместимость РоЕ-устройств. Наконец, устройства с поддержкой РоЕ предлагают превосходную гибкость управления повышением или понижением напряжения питания. По данным исследовательской компанииVenture Development ожидается увеличение рынка интегральных схем с поддержкой РоЕ со 133 млн штук в 2004 году до 246 млн штук в 2007 году. Технология РоЕ позволяет реализовать питаемые через сеть устройства (ПСУ), которые получают питание через существующее кабельное соединение. Оборудование с источником питания (ОИП) выполняет прецизионные измерения подключенных ПСУ, чтобы гарантировать их соответствие стандарту. Если проверка на соответствие ПСУ стандарту позитивная, то ОИП подает ему питание 48В (Рис. 1).
РЕЖИМ РАБОТЫ ПСУ СОВМЕСТИМ СО СТАНДАРТАМИ IEEE
В июне 2003 года был утвержден IEEE — стандарт для РоЕ-продукции. Стандарт IEE802.3af гарантирует безопасность подачи питания как к наследуемым устройствам, так и к устройствам с поддержкой РоЕ при сохранении существующей кабельной инфраструктуры и гарантировании целостности передаваемых данных. В соответствии со стандартом IEEE используется постоянное напряжение 48 В, которое передается через 2 или 4 витых пары стандартного кабеля Cat 5e. Суммарная мощность каждого порта имеет четыре класса ограничения в диапазоне от 4 Вт до 15,4 Вт.
ОИП определяет подключение ПСУ путем измерения сопротивления кабеля (сигнатура). Если сопротивление находится в пределах 23,7-26,25 кОм, то ОИП считает, что ПСУ подключено.
Рис. 1 Типичная РоЕ система
Использование блокировки при снижении напряжения (БСН) для напряжений свыше 23 В предотвращает сбои в определении сигнатурного сопротивления и позволяет разрешить работу только после приложения всего напряжения к ПСУ по завершении заряда входной емкости и установления выходного напряжения.
Опционально может быть выполнена классификация из ПСУ, которая позволяет определить, к какому классу мощности относится ОИП (рис. 2).
Как только БСН отключается, интерфейсная часть LM5070 начнет заряжать емкость нагрузки, которая в то же время является входной емкостью для импульсного источника питания (ИИП). Зарядный ток этой емкости управляется силовым МОП-транзистором и ограничивается на уровне не более 420 мА. Кроме того, предусмотрена возможность программирования пускового тока в диапазоне 100-375 мА.
LM5070 НЕСЕТ В СЕБЕ УНИКАЛЬНЫЙ НАБОР О СОБЕННОСТЕЙ И ПРЕИМУЩЕСТВ
Высоковольтный РоЕ-контроллер LM5070 выполняет все функции, необходимые для построения источника питания ПСУ. Он интегрирует схему ШИМ-управления с поддержкой токового режима в компактном 16-выводном корпусе (Рис. 3).
Рис. 2 Детекция, классификация и приложение номинального напряжения
Рис. 3 Структурная схема системы питания ПСУ с использованием LM5070
Рис. 4 Неизолированный импульсный источник питания на основе LM5070 в минимальной конфигурации и поддерживаемым классом мощности О
LM5070 характеризуется рядом уникальных характеристик, которые позволяют упростить процесс проектирования, втом числе:
сочетание полностью совместимого со стандартом IEEE 802.3AF интерфейса; ПСУ с высокоэффективным контроллером импульсного преобразователя поддержкой токового режима;
возможность программирования пользователем сигнатурного сопротивления, порогов БСН, пускового тока и классификационного тока;
защитное ограничение пускового/аварийного тока, пошаговое ограничение тока с автоматическим перезапуском и защитное отключение при перегреве;
возможность регулировки с помощью двух внешних резисторов порога срабатывания и гистерезиса БСН;
внутреннее управление последовательностью подачи напряжений: в состав LM5070 полностью интегрировано соединение между интерфейсом ПСУ и преобразователем постоянного напряжения;
поддержка конфигураций импульсныхисточников питания с гальванической развязкой и без: встроенныйпрецизионный источник опорного напряжения и усилитель отклоненияинтегрированы для преобразователей без развязки, а вход с подтягиванием потенциала к плюсу питания позволяет подключить оптопару в изолированных преобразователях;
отключение сигнатурного резистора:сигнатурное сопротивление 25 кОм
отключается после детекции ПСУ во избежание снижения к.п.д.
ТИПИЧНЫЙ ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ ИИП ДЛЯ РОЕ-УСТРОЙСТВ
Преимущество высокой степени интеграции LM5070 усиливается совместимостью с требованиями стандарта IEE802.3af, при этом требуя минимальное количество внешних компонентов. На рис. 4 представлена схема неизолированного обратноходового импульсного источника питания, в которой используется незначительное количество внешних компонентов. Основными составными блоками данного ИИП являются ключевой МОП-транзистор (Si4848, 150B/ ЗА), импульсный трансформатор с одной первичной и одной вторичной обмоткой, один диод для выпрямления выходного напряжения, а также входной и выходной конденсаторы.
Рис. 5 Изолированный обратноходовой импульсный источник питания с программируемым классом и программируемым пусковым током
Схема быстродействующего ШИМ-контроллера с токовым режимом управления предпочтительна в обратно-ходовой топологии с непрерывным режимом обработки, где привносит преимущество управления входным током и его ограничения, а также стабилизации выходного напряжения в одной и той же схеме. Передаточные характеристики по входному напряжению и току нагрузки реализуются за счет варьирования рабочим циклом регулировочного транзистора. Рабочий цикл (коэффициент заполнения импульсов управления) зависит от погрешности выходного напряжения и от пилообразного сигнала, который сформирован током первичной обмотки импульсного трансформатора и снят с токоизмеритель-ного резистора.
Пошаговое ограничение тока реализовано путем сравнения сигнала, пропорционального измеренному току, с внутренним источником опорного напряжения (ИОН). Типичная проблема нестабильности из-за генерации субгармоник при коэффициентах заполнения импульсов управления свыше 50% решается за счет внутренней компенсации наклона в линейно-нарастающем сигнале, несущего информацию об измеренном токе.
На рис. 5 представлена схема импульсного источника питания РоЕ-устройства с программируемым классом и программируемым пусковым током. В источнике питания реализованы три различные схемы защиты от токовой перегрузки и перегрева:1)программируемый контроллер защиты от токовой перегрузки ограничивает выбросы начального тока;
2) если постоянный ток, протекающий через основной регулировочный МОП-транзистор, превышает 375 мА,тогда токоограничивающий усилитель переводит МОП-транзистор в насыщение, что вызывает нарастание напряжения на стоке (RTN). Когда напряжение на выводе RTN по отношению к выводу VEE нарастает свыше 2,5 В, выход индикации корректности выходного напряжения PowerOK = 0, конденсатор плавного старта разряжается и схема предпринимает непрерывные попытки рестарта;
3) температурная защита является завершающим уровнем защит от аварийных режимов работы и других ситуаций, которые связаны с возможностью выхода за пределы безопасной рабочей зоны.
Компания Coilcraft разработала импульсные трансформаторы специально для работы с LM5070. Применение данных трансформаторов позволяет добиться максимально-возможного к.п.д. преобразования.
Автор: Мишель Склоччи (Michele Sclocchi)
Источники:
- Берри Сигноретти, Джо де Николас. Проектирование источников питания PoE-устройств (http://www. national. com/ onlineseminar/2004/poe/poe.html).
- Мартин Шильд. Технология РоЕ рас ширяет сферы применения Ethernet// Future Electronics Europe.
- Документация на LM5070 и рекомен дации по применению.