設(shè)計(jì)以太網(wǎng)供電 (PoE) 解決方案

以太網(wǎng)供電（PoE）供電是一種利用網(wǎng)線來(lái)傳輸功率的供電方案，由供電設(shè)備（PSE)、受電設(shè)備（PD）以及網(wǎng)線構(gòu)成。隨著IP設(shè)備應(yīng)用的普及，PoE供電憑借安裝成本低、易擴(kuò)展、好管理以及全球兼容等特點(diǎn)，受到人們的普遍歡迎。

自2003年P(guān)oE供電協(xié)議（IEEE802.3 af）被提出，PoE歷經(jīng)十幾年的發(fā)展，目前支持的最大傳輸功率已經(jīng)達(dá)到90W（IEEE802.3 bt）。其主要應(yīng)用場(chǎng)景包括IP-Phone，IP-camera，Access Point 和 5G室內(nèi)小基站等等。

圖1: 典型PoE應(yīng)用

由于網(wǎng)線結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，PoE供電必須滿足以下條件：

根據(jù)不同的PoE類型和功率傳輸大小，選擇合適的物理連接方式，正確連接電路；

協(xié)議握手成功匹配，包括檢測(cè)階段、功率分類階段以及軟啟動(dòng)階段；

滿足PSE最小功率維持要求。確保PD設(shè)備能夠產(chǎn)生足夠的電流信號(hào)，讓PSE維持功率輸出，并避免誤斷開。

PoE 電源設(shè)計(jì)

PoE電源設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)部分：PSE與PD的協(xié)議握手部分；PD的DC/DC變換部分。

協(xié)議握手部分依賴專有的協(xié)議工業(yè)控制系統(tǒng) (ICS)，采用遠(yuǎn)程和本地監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單從 PD 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換角度來(lái)看， PoE 解決方案可以分為四個(gè)部分：電路拓?fù)洹oE 尺寸優(yōu)化、PoE 效率和電磁兼容性 (EMC) 問(wèn)題分析。

電路拓?fù)洌?/p>

PoE應(yīng)用成本取決于電路拓?fù)涞念愋汀７歉綦x拓?fù)湫詢r(jià)比高，但安全性不高，主要在小功率消費(fèi)類產(chǎn)品中應(yīng)用，例如IP-phnoe以及室內(nèi)IP-camera等。隔離類拓?fù)洌踩愿撸谑彝饣蛘叽蠊β蕬?yīng)用場(chǎng)合比較常見(jiàn)，例如工業(yè)AP或者5G小基站等。

圖2: 不同電路拓?fù)渲g的權(quán)衡

PoE電源尺寸的優(yōu)化：

對(duì)最為常見(jiàn)的反激電路而言，通過(guò)提高開關(guān)頻率、選擇連續(xù)導(dǎo)通工作模式（CCM）以及原邊反饋（PSR）方案，可以盡可能地減小電源尺寸（如圖3所示）。

圖3: 采用高頻率、CCM、PSR模式盡可能減小電源尺寸

MP8017 是一款兼容 IEEE 802.3af 的 PD，它具有集成 PD 接口和反激式變換器。MP8017 無(wú)需輔助繞組即可提供原邊調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了器件優(yōu)化。它還可以設(shè)置為有源鉗位反激拓?fù)涞母边呎{(diào)節(jié)。該器件提供檢測(cè)與分類功能，同時(shí)還具有電流限制、可配置軟啟動(dòng)時(shí)間、通過(guò)頻率抖動(dòng)降低 EMI ，以及過(guò)載保護(hù) (OLP) 和過(guò)溫保護(hù) (OTP) 等功能。 MP8017 能夠?yàn)镻oE PD 應(yīng)用提供前端解決方案。

PoE電源效率的提升：

反激電路的功率損耗主要集中在功率MOSFET、變壓器以及二極管三方面。圖 4對(duì)開關(guān)、導(dǎo)通、變壓器和二極管產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了分析，并給出了一系列效率優(yōu)化措施。

圖4: 反激電路的功耗分析

EMC問(wèn)題分析：

當(dāng)多個(gè)電子設(shè)備之間相互產(chǎn)生不利影響且場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。本文給出兩個(gè)實(shí)用方案，可以幫助解決電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。

第一種方法是降低開關(guān)速度，增加吸收電路，并縮短高頻電路以減少噪聲源。第二種方法是合理設(shè)計(jì) EMC 濾波器來(lái)抑制耦合路徑上的噪聲傳遞，以此來(lái)抑制耦合路徑。

另外，控制芯片的穩(wěn)定功能能夠顯著降低噪聲尖峰。在相同條件下，具有穩(wěn)壓功能的變換器更有可能滿足 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

本文討論了 PoE 的一般需求和 PD的 DC/DC 轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。MPS 提供的PoE 電源解決方案適用于當(dāng)前所有的協(xié)議級(jí)別（af、at 和 bt），同時(shí)具有BOM精簡(jiǎn)、效率高、EMC性能優(yōu)以及其他設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

要了解有關(guān) PoE 應(yīng)用的更多信息，請(qǐng)參考設(shè)計(jì)有源鉗位正激變換器（上）和（下）的相關(guān)文章。

審核編輯：湯梓紅