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【新闻】用于以太网供电的电源管理硅元件高安

发布时间:2020-10-18 19:14:05 阅读: 来源:扎把机厂家

(华强电子世界网讯) “以太网”是指采用 IEEE802.3 标准的各种局域网 (LAN) 系统。以太网是工作场所应用的一种协议,例如,通过高速数据电缆将桌面 PC 与中央文件服务器连接起来。数据终端、无线接入点、网络摄像机和电话等任何连到以太网端口的设备都需要有自己的电源,这电源可以是电池也可以是独立的AC插座。而一个更有吸引力的构想则是能同时将电源和数据传输至任何连到以太网上的设备。如果这种传送设计能利用现有的以太网电缆,能100% 地向后兼容,那就更佳。 这正是包含在 IEEE802.3af 内的以太网供电(PoE)标准能做到的。这一 新标准于2003 年6月经IEEE 批准,用于在以太网上传输和接收电源信号。PoE的优势有:   ● 一种应用设备只需要一套电线,电缆连接变得更为简便,成本更低。  ● 省去 AC 插座和适配器之后,工作环境变得更为安全、整洁,成本也相应降低。  ● 应用能轻易地从一处移到另一处。  ● 当 AC 主线断电时,一个不间断电源能确保应用所需的用电。  ● 可以远程监视和控制连接到以太网的设备。  这些优点使以太网供电成为一种突飞猛进的新技术,它从根本上改变了低功耗类设备的供电方式。还有更多的设备能通过以太网供电驱动。今天,有两种主要的用电装置成为推动 PoE 销售增长的主导力量,它们分别是:无线LAN 接入点和 VoIP电话。 前者的年复合增长率为 38% ,并将于2007年达到1500万件(资料来源:iSuppli), 而支持后者的企业级网络预计将于2007年达到300万。对电源驱动设备的需求反过来要求现有的以太网交换机能支持 PoE。 这点可通过(图1)所示的 “中途式” 方案实现。预计到2007年,这些设备的使用数目将增长到800万,增长率达到 68%。   在本例中,原先的以太网交换机通过“中途式”以太网供电集线器将电力注入双绞线 LAN 电缆,实现 PoE。 新型以太网交换机将结合“中途式” ,为通过高速数据电缆连接的用电装置 (PD)供电。 这些用电设备可以是网络摄像机、VoIP电话、无线 LAN 接入点以及其他设备。 不间断电源(UPS)能在主电源断电时提供备用电。   电源管理设备用于在以太网交换机和以太网供电“中途式”集线器上转换电压和电流, 以及用电设备中的 DC-DC 转换器。下文将详细介绍各种功能。   以太网交换机中的电源管理设备  最新的以太网交换机能通过 24 或是 48个独立端口,为用电设备提供 PoE 连接,并向后兼容非 PoE 系统。 每个用电设备都有自己的 48V 供电,每 PD 最高达15.4W,并由以太网交换机分别管理。  IEEE802.3af PoE 标准允许用电设备最大功率在13W 左右——考虑到长距离电缆传输中有一定的功率损耗,以太网交换机提供15.4W的功率。用电设备终端使用48V电源时电压在36~ 57V 范围内,电压容许达到最大开关电压两倍左右(如开关尖峰信号等),要求电源开关采用额定VDS为 100V的分立 MOSFET。  图2 显示的是一个 PoE 控制器,通过分立的 MOSFET控制四个端口。 该例采用了4个飞利浦半导体的 PHT4NQ10T。这样的设置相当于每个以太网交换机或中途结构中有12 个 IC和 48个 MOSFET。 预计到 2007 年,中途式结构的电源管理的市场收入将等于 MOSFET (5,700万美元,38,400万件)和IC(4,800万美元,9600万件)的销售收入之和。  PoE 控制器通常指“热插拔”控制器。这类 IC 的功能有:  ● 独立控制四个分离的 PoE 端口。  ● 检测有效用电设备的连接情况。  ● 监控稳定状态下 MOSFET 的电流 (通过低欧姆感测电阻器) 。  ● PD 连到端口时,对涌入电流和 MOSFET 散热进行控制。  ● 当PD 断开时,有低电流断开功能。  在常用模式下, 一旦端口供电, PD旁路电容器靠端口电压供电,外部 MOSFET 分散的功率相当少。这说明一个小型 MOSFET 就能满足此项需要。 然而, IEEE802.3af 有一些其他的需求,比如开启时的浪涌电流和出现不兼容用电设备连接端口的问题,这就需要一个能在瞬时分散大量能量的 MOSFET 。 这也是为什么采用分立的 MOSFET 而不是整合解决方案的原因。   以太网交换机MOSFET还要求在关闭状态时的漏电量要低。 IEEE802.3af 要求一个端口的绝对最大漏电量不能超过 12础,这个数字包括MOSFET 和其他保护电路的漏电路径中的漏电电流。 飞利浦半导体的 MOSFET 设计符合这个要求,它的最大漏电量仅为 1础。   用电设备(PD)中的电源管理设备  (图 3 )所示是用电设备的模块图。以太网电缆的 DC 电源通过二极管桥整流器恢复, 因此消除了出现用电设备电路电压极性加反的可能性。当一个设备接入一个 PoE 端口时,以太网交换机就执行一个“发现”程序以决定这个设备能否采用以太网供电,或者是不能采用 PoE的老设备。 当用电设备因此断开时,也会执行“发现”程序。之所以需要这个发现程序的原因是高电压 (48V)连到许多过去的设备上时会造成设备毁坏。 鉴于此,电压与现有老设备兼容时,“发现”会发生,只有在“发现”成功后才能应用高电压 DC。IEEE802.3af“发现” 基于特征阻抗感测。   通过识别每个端口消耗的功率,PSE 能根据系统供电的输出能力协助系统电源管理协议决定所能支持的 PD总数。 为了实现此类电源管理类型,要在 IEEE802.3af 标准加入一种名为 “分类”的可选方案。 “分类”可以让用电设备明确对以太网交换机/“中途结构” 的最大功率要求,使电源管理协议能将未用的功率分配给其他端口,从而充分利用系统能力。  基于100V N沟道 MOSFET,接口控制是用电设备电路主要组成部分的“开关”。 当48V电源进入可接受的容许范围以内时,接口控制器才允许连接PD电路。此外,接口控制器设置了起始电流限和故障电流限。MOSFET的电涌性能要与上述以太网交换机应用中的100V MOSFET 相当。  一旦“发现”过程完成,且接口控制器确定电源轨电压在容许范围内时,接口控制器 MOSFET会开启,电源汇输入到独立的 DC-DC 转换器。隔离的 DC-DC 转换器要在用电设备前端和 PD 电路的其他部分间提供1500V的隔离电压(这是一个安全功能),在输入处提供一个或多个低DC电压轨,其总的最大功耗为 13W 。转换器的输入额定电压为 48V, 采用通用的顺向式和反驰式拓扑结构。这是常用的 DC-DC 转换器设置,它与低功率电信供电极为相似,需要数个控制器 IC 以满足需要,如飞利浦半导体 GREENCHIP系列中的 SMPS 控制器 IC——TEA1502。  据VDC预测, 到2007年,电源管理硅元件能支持的端口数将高达49600万。由于并不是所有的端口都会投入使用,所以预计其中的一半,也就是将有 24800万个用电设备投入市场。

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