如何优化以太网供电 (PoE) PD 设计 (以太网怎么提高网速)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}本文将综合描述PoEPD的设计，讨论*设计人员面临的挑战，还将介绍如何利用MP（集成型PoEPD和反激式电源变换器）优化PoEPD的设计，并进行验证。什么是以太网供电(PoE)？以太网供电(PoE)解决方案可以在以太网电缆传输直流电源的同时将数据并行传输至IP终端设备，无需更改现有的以太网标准电缆连接。在一根电缆上同时传输电力和数据不仅简化了安装、提高了可靠性，还通过减少线缆降低了成本。PoE设备因此成为机房和办公室的常见选择，也是不便新装电源线的旧建筑物的理想选择。本文将综合描述PoEPD的设计，讨论*设计人员面临的挑战，还将介绍如何利用MP（集成型PoEPD和反激式电源变换器）优化PoEPD的设计，并进行验证。PoE的演变年，在IEEE和以太网联盟的努力之下，PoE实现了标准化，其目标是确保更广泛连接的受电设备(PD)和供电设备(PSE)之间的互*作性。首个标准IEEE.3af于年获得批准。该标准规定，电源必须能够通过单根电缆中的备用线对或数据线对进行传输。最新的PoE标准为IEEE.3bt(W)，它涵盖了5G小型蜂窝、显示单元和AP路由器等更多应用。图1所示为IEEEPoE标准的发展时间线，最早从年≤W的标准开始。

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图1：PoE标准演进史PoE功率分级根据所需的功率，PoE设备被分为不同的级别（Class0至Class8，共9个级别）。.3af标准涵盖了Class0到Class3，电压范围在V和V之间，输出功率达.4W。这类设备被推荐用于传感器和简单*头。.3at标准（也称为PoE+）引入了Class4等级，在同等电压范围内将输出功率提高到了W，但仅兼容PoE+PSE。这类设备可用于复杂*头、LCD显示器和平板电脑。最新的标准.3bt（也称为PoE++）则引入了Class5到Class8等级，输出功率在W到W之间。这类设备可以支持笔记本电脑、电视和建筑物中的电气*。图2对这些功率等级及其相关输入电压、输入功率和输出电压进行了总结。

图2：PoE功率分级PoE工作原理网络电缆由成对的双绞线组成，其中包括能够发送信息的数据线对和称为备用线对的未使用线对。PD和PSE成功通信的过程被称为握手。握手的过程包括以下主要步骤：1.PD检查:PSE向PD电阻（.9kΩ）发送一个测试电压（<.1V）；若阻抗值匹配，则表明为一个标准PoE设备。2.功率分级:PSE发送一个电压并获得电流反馈，以确认PD的功率等级（从Class1到Class8）。3.供电:PSE的输入电源提升至V左右。4.稳定电源和*:电源稳定在V左右，同时根据分级结果*最大功率。5.断连:如果PD断开，则PSE停止供电。图3显示了PSE和PD之间的整体通信结构。

图3：PSE和PD通信的硬件结构PSE与PD握手时，电压电平的变化情况如图4所示。

图4：握手期间输入电压的变化情况PoE解决方案的设计挑战PoE设备面临的首个设计挑战就是效率。尽管PoE设备综合了电源与数据的传输，但如果设计不当，效率会比较低。因此，设计人员必须优化电源电路以降低元件阻抗，并选择最佳变压器以提高效率。另外，大量的功率传输会产生可闻噪声，从而影响设备满足现代EMI标准的能力。如果不加以规范，EMI会导致周边设备性能降级并缩短*的生命周期。功率高的PoE设备体积也更大，对空间受限的应用而言，可能会占据宝贵的空间。图5显示了一个典型的WPoEPD电源电路。由于所需元件数量较多，电路复杂且庞大。光耦合器和TL稳压器单独组成其电路*，其中也包含众多元件。

图5：带光耦反馈的传统WPD电源电路优化PoE解决方案有六种简单的方法可以优化传统电路（见图6）。

图6:优化PoEPD设计下面将详细描述这些方法。1.全集成:对PoE设备而言，全集成解决方案是实现紧凑方案的绝佳方法。我们常对PoE解决方案提出这样的疑问：*能否包含PD和DC/DC变换器？方案能否包括热插拔MOSFET和功率MOSFET？这两个疑问的答案都是肯定的。通过集成PD、变换器和MOSFET，设计人员可以显著减小PCB尺寸并缩短设计周期。集成解决方案还可以降低BOM成本，因为简化的解决方案需要的外部元件也更少。2.反馈电路:传统反激电路需要稳压器、光耦反馈网络、环路补偿和软启动电路。通过图8我们可以看出这些电路的复杂性，例如传统的SSR反馈电路。随着反激技术的发展，后来出现了原边反馈法（第一代PSR反馈）；但这种类型的电路通常包含辅助绕组。TheMPPoEPD解决方案采用了一种新的反馈方法，称为第二代PSR反馈。该*不需要辅助绕组或光耦合器（见图7），它利用SW引脚对输出电压(VOUT)进行采样。这种方法具备的优势如下所述：○变压器不需要辅助绕组，从而简化了设计电路；○变压器成本降低；○额外的电源绕组可以缠绕在同一磁芯上，以降低阻抗并提高效率。

图7:反馈解决方案的组成这种先进的反馈方法简化了电路并减小了BOM。3.变压器设计:在大多数设计中，变压器都是电路中物理体积最大且最昂贵的组件。传统上，W应用采用EP变压器。但如果优化反馈电路并消除对辅助绕组的需求，设计人员就可以实现高开关频率(fSW)，从而减少变压器的匝数。这意味着可以用EP7变压器替代EP，将占用空间缩小至不到三分之一（见图8）。

图8:EP变压器vs.EP7变压器4.输出电容:传统PoE设备的典型频率约为kHz，需要电解电容来降低输出纹波。提高fSW可以减少输出电容的数量。例如，当fSW为kHz时，一个W的应用只需要两个陶瓷电容器。此外，采用连续导通模式(CCM)控制，变压器的副边峰值电流也更小。较小的峰值电流可进一步降低由输出电容ESR和电路板电阻引起的输出纹波。图9对CCM和非连续导通模式(DCM)下的副边电流进行了比较。

图9:DCM和CCM模式下的变压器副边电流比较5.EMI设计:所有的相关设备都必须通过EMC标准，但优化设备的EMI性能并非易事。反激式解决方案通常需要一个共模(CM)电感来提高EMI性能，但这种电感*高昂并且需要占用宝贵的PCB空间。有两种方法可以在无需使用CM电感的情况下解决EMI问题：支持扩频频率抖动；创建更平滑的SW波形。当频率抖动时，fSW在其标称范围内波动。MP通过M/D引脚支持频率抖动功能。其频率抖动固定在±6%的幅度内，调制频率约为9kHz。图展示出频率抖动对噪声尖峰的降低作用。

图:无频率抖动vs.频率抖动优化SW波形是改善EMI的另一种方法（参见图）。

图:普通波形vs.优化波形MP采用上述方法让EMI性能得到了极大的改善，并在不降低EMI性能的情况下避免了采用CM电感。6.有源缓冲器:在反激应用中，电阻电容二极管（RCD）缓冲器被广泛用作钳位电路，以降低SW的峰值电压并吸收漏感能量。但这种电路存在两个问题：○SW会产生谐振，这会对EMI性能产生负面影响；○漏感能量消耗会降低*效率。有源钳位控制方法可以缓解这些问题（参见图）。这种方法采用功率MOSFET来代替传统RCD缓冲器中的电阻和二极管。MP等器件利用它实现了副边调节(SSR)，从而提高了效率。

图:RCD缓冲器vs.有源缓冲器通过上述的六种方法，与传统电路相比，最终电路将得到极大的简化（参见图）。

图:优化后的电路结语PoE是一个创新的概念，它不断改善以满足现代技术持续增长的电力需求。尽管它具备一定的可靠性，但设计人员仍然很难保持解决方案的高效率，不过，我们可以通过一些优化方法来缓解这些问题。MP选用了最佳变压器、缓冲器和输出电容；它同时具备频率抖动功能，并将组件集成到单个芯片上；在不影响性能的情况下保证了解决方案的高效率。来源：MPS作者：VinceWen