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).
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.
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.
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: