一種以太網供電的隔離型反激式PD控制器設計

陳君毅，陳偉，林欽堅，賓顯文

(廣州中海達衛星導航技術股份有限公司 基礎研究院，廣州 511400)

?

一種以太網供電的隔離型反激式PD控制器設計

陳君毅，陳偉，林欽堅，賓顯文

(廣州中海達衛星導航技術股份有限公司 基礎研究院，廣州 511400)

摘要:本PD控制器集成開關穩壓器，內置同步反激式控制器，符合IEEE802.3at標準，提供25.5 W的高功率輸出。支持寬電壓輸入及外部輔助電源輸入，具有欠壓、過壓、過流和熱保護功能，在大負載的情況下電源效率達到88%。實際PD模塊驗證表明，該電源模塊在以太網供電應用領域，具有很突出的優勢，拓寬了以太網電纜供電的應用范圍。

關鍵詞:PD控制器；反激；隔離；PoE

引言

以太網供電(PoE)技術，優勢在于利用雙絞線能夠同時傳輸DC功率和數據，并保持現有的以太網系統和用戶的兼容。通過PoE技術，在保證了現有網絡數據傳輸安全的同時，極大地優化了供電設備結構布線布局，能夠遠程維護和管理，成本也更低。本文提供一種符合IEEE802.3at標準的PD控制器，與現有的PD硬件方案比較，本電路具有以下優勢：

① 能提供更高的功率輸出，電源效率>92%;

② 新型的無光隔離器反饋拓撲結構;

③ 集成欠壓、過壓和熱保護功能;

④ 支持輔助電源接入，供電設備切換靈活。

1方案設計

本文采用的IC控制器是凌力爾特公司的LTC4269-1,該模塊集成了開關穩壓器的PD控制器，符合IEEE802.3at標準,內部集成了同步反激式控制器，因此選用反激式變壓器來實現能量的傳遞。相對于正激式變壓器，反激式變壓器的優點在于電路簡單、轉換效率高、輸入電壓范圍大和匝數比值小。

本PD控制器，采用凌力爾特公司的無光耦隔離器反饋專利技術。在傳統的DC/DC轉換器中，通常使用帶光耦隔離的電壓反饋控制調節輸出電壓。光耦反饋正是利用原邊電流變化導致副邊電流變化來實現反饋的，其電路需嚴格設計外圍參數，使其工作在較寬的線性帶內，并且光耦合電流放大系數受溫度影響較大，會隨著溫度變化而變化，所以光耦合器電路設計復雜，溫度敏感性高，光耦合容差導致易變為環路增益。PD控制器采用無光耦隔離器反饋技術，即使用第三繞組來實現電壓反饋。它利用法拉第電磁感應定律，在功率管關斷期間，變壓器兩端的匝數比值是恒定值，因此可以反映輸出電壓的大小。該電路簡單、設計方便且抗干擾能力強。因此，變壓器選擇正反激組合型。

圖1　主電路設計模塊

主電路設計模塊如圖1所示。對于該電路，初級晶體管的開關狀態剛好與次級晶體管的狀態相反。當初級MOSFET導通時，輸入電壓Vin加在初級電感線圈上，電能轉化為磁能存儲在初級電感線圈上，而次級MOSFET斷開，負載功率由輸出電容提供。當初級MOSFET斷開時，初級電感線圈磁能通過互感耦合到次級線圈，而次級MOSFET導通，為負載提供能量。與此同時，次級電感線圈將磁能傳遞到第三繞組，實現電壓反饋。

2硬件電路設計

具體硬件實現電路如圖2所示。

圖2　硬件實現電路圖

輸入電壓與輸出電壓的關系：

圖4　轉換效率及輸出電壓與負載電流關系

其中，NSF為變壓器初級線圈與次級線圈的匝數比；DC為MOSFET工作周期；反饋電壓由輸出電壓Vout所決定。

其中，RDS(ON)為第二繞組MOSFET導通電阻，ISEC為變壓器次級電流，ESR為變壓器第二繞組阻抗和電容器阻抗；NSF為變壓器有效的第二繞組和第三繞組的匝數比(即NS/NFLBK)。

反饋電壓通過外部電阻R1和R2分壓，進入到LTC4269-1的FB引腳，VFLBK和VFB的關系為：

LTC4269-1內部是一個反饋放大器，通過比較VFB與內部的基準電壓，調整原邊MOSFET和副邊的PWM波形，從而起到了調節輸出電壓Vout的作用，使其調整到預設的輸出電壓值。

欠壓保護，Vin通過R3和R4分壓，進入UVLO引腳，實現對輸入電壓的監控，當分壓電壓低于閥值1.24 V時，LTC4269-1芯片進入鎖定狀態。

過流保護，通過R7電流采樣電阻對MOSFET的電流進行采集監控。當流過R7的電流過高、Vsense+引腳電壓高于閥值98 mV時，將進入保護狀態，LTC4269-1將停止工作。

3Layout注意事項

變壓器兩端的接地應嚴格隔離分開，MOSFET與繞組形成的閉合回路應盡可能短。保證短的路徑和小的環路，可以極大改善開關噪聲以及切換過程的漏感，減少能量損耗。具體電路布局情況如圖3所示。

圖3　實現電路Layout

4性能測試

實際設計輸入電壓為42 V，輸出電壓為12 V，輸出功率達25.5 W，在大負載情況下轉換效率達到88%。實際測試與數據分析證明，該模塊均能滿足設計要求。實測結果如圖4所示。

結語

參考文獻

[1] Alison Steer,Heath Stewart.高效的以太網供電解決方案降低了總體成本[J] .今日電子,2013(5).

[2] 鄧石梅,龍滬強.以太網供電技術及受電端電路設計[J] .自動化儀表,2012(3).

[3] 徐麗萍,雒明世.PoE設計方案分析[J] .電氣應用,2010(8).

[4] Linear Technology.LTC 4269-1fc.IEEE 802.3at PD with Synchronous No-Opto Flyback Controller[EB/OL].[2015-08].http://www.linear.com.cn/product/LTC4269-1.

[5] 敖志剛.萬兆位以太網及其實用技術[M] .北京:電子工業出版社,2007.

Isolated Flyback PD Controller in Ethernet Power Supply

Chen Junyi,Chen Wei,Lin Qinjian,Bin Xianwen

(Basic Research Institute,Hi-Target Surveying instrument Co.,Ltd.,Guangzhou 511400,China)

Abstract：The PD controller integrates the switching regulator and the synchronization flyback controller,which is in accord with IEEE802.3at standard,and can provide 25.5 W high power output.The controller supports wide voltage input and the external auxiliary power input,has the protection functions such as under voltage,over voltage,over current and thermal protection functions.In the case of large load power,the efficiency can reach 88%.The actual PD module verification shows that the power supply module has prominent advantage in Ethernet power supply applications,broadens the application range of the Ethernet cable power supply.

Key words:PD controller;flyback;isolation;PoE

中圖分類號:TN973.4

文獻標識碼:A