目前，由以太網(wǎng)供電(PoE)的網(wǎng)絡(luò)集線器、路由器和交換機獲得了廣泛利用，因此，OEM制造商正著力研發(fā)設(shè)計可從的網(wǎng)絡(luò)連接端獲取工作電源的無線接入點、網(wǎng)絡(luò)電話(VoIP)和閉路安全攝像機。

為了在新的產(chǎn)品應(yīng)用中奪取和保持市場占有率，降低PoE受電設(shè)備(PD)中電源級所占用的成本而同時不犧牲可靠性是至關(guān)重要的。本文所提出的解決方案可降低成本并提高PD電源級的可靠和穩(wěn)定性。

對于集成PD電源電路，電源管理IC制造商一般采取下列兩種方法之一(參見圖1)：

A. 將前端接口電路和一個用于DC-DC轉(zhuǎn)換器(驅(qū)動一個分立功率MOSFET)的PWM控制器集成在一片IC上。B. 將一個功率MOSFET、PWM控制器和用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的所有支持電路集成在一片IC上。

第一種方法看來要把大多數(shù)電路集成到芯片之中。然而，它不是理想的解決方案，因為接口電路僅僅具有一種可變功能：識別PD的級別(0, 1, 2或3)。在IC內(nèi)集成如此簡單的電路并未對晶圓面積進行最有成本效益地利用，特別是僅使用幾個標(biāo)準(zhǔn)的獨立元件就可以低廉的成本實現(xiàn)的電路，這些獨立元件還可在另個新設(shè)計中重復(fù)使用。

圖2顯示了兩個分立接口電路。左側(cè)電路實現(xiàn)一個0級PD，在大批量生產(chǎn)中的成本僅僅為9美分；右側(cè)電路成本為20美分，通過改變唯一的電阻(R16)的數(shù)值，可以把PD分為1、2或3級。

DC-DC轉(zhuǎn)換器比接口電路要復(fù)雜得多，因此，第二種方法(圖1中B) 如果把支持DC-DC轉(zhuǎn)換需要的所有功能都集成在IC內(nèi)部的話，是可以極大地簡化設(shè)計。

面向PoE應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換IC

因為直通開關(guān)MOSFET的漏極被連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)MOSFET的源極，現(xiàn)有辦法不能把一切都集成到一顆單片晶圓上。一些包含多顆晶圓的IC正開始出現(xiàn)，然而，它們可能價格不菲。因此，要么選擇把前端和一個PWM控制器集成在一起的單片芯片，要么選擇把PWM控制器、功率MOSFET和相關(guān)支持電路集成在一起的單片芯片。

因為設(shè)計時間的大半將花在DC-DC轉(zhuǎn)換器上，把常用支持功能集成在所選擇的IC之中是至關(guān)重要的。下列就是在一款I(lǐng)C中應(yīng)包括的集成功能：

過熱保護：

安全和高度可靠的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有熱感測和過熱保護。MOSFET開關(guān)可能是所有開關(guān)轉(zhuǎn)換器中最易發(fā)熱的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其溫度必須被感測出來以提供熱保護。當(dāng)采用分立MOSFET開關(guān)的時候，必須安裝熱傳感器以便它直接與MOSFET接觸，這通常需要一些手工安裝的步驟。然而，當(dāng)MOSFET與控制器一道被集成在同一晶圓上的時候，控制器可以直接感測MOSFET溫度。這就省略了把熱傳感器連接到分立MOSFET時所需要的手工安裝步驟。

圖1：兩個分立接口電路：a) 對0級；b) 對1、2和3級

圖2：兩種用于PD電源級的最常見集成方法

支持轉(zhuǎn)換器通常所需要的其它一些功能是：啟動、軟啟動(在初始啟動過程中降低壓力)、自動重啟動(打開反饋環(huán)、輸出過載和短路保護)、欠壓鎖定(UVLO)、過壓關(guān)斷以及MOSFET電流檢測和限流。

啟動：

一旦轉(zhuǎn)換器開始工作，它通常從主變壓器上的輔助繞組向PWM控制芯片提供電源。然而，當(dāng)電源首次被施加到轉(zhuǎn)換器時，輔助電源沒有電，必須利用附加電路向控制器提供初始工作電流。當(dāng)初始供電電路被集成到控制器IC之中時，工程師既不需要參與其設(shè)計，也不需要擔(dān)心其正確的工作，特別是如果該電路需要非常少的外部元器件實現(xiàn)正常工作的話。這就縮短了設(shè)計周期，與此同時，也減少了元器件的數(shù)量。

軟啟動：

集成啟動電路也可以被設(shè)計為緩慢“松開”轉(zhuǎn)換器使其進入完全工作。在軟啟動期間，開關(guān)占空比最初非常低，并在開始工作的最初幾毫秒期間緩慢增加。這就減輕了對各種電源元器件的壓力，使它們的壽命更長。

自動重啟動：

高可靠性和穩(wěn)定性工作要求防止轉(zhuǎn)換器或負載的元器件出現(xiàn)故障。當(dāng)保護功能被集成到IC內(nèi)部時，設(shè)計工程師的工作就極大地減輕了。此外，一種設(shè)計良好的自動重啟動功能可以限制某種故障期間可能被傳遞到負載的功率，并且可以通過有效反饋信號的丟失來激活，而不是由對IC供電電源的丟失來激活。這一點很重要，因為在輸出過載條件期間偏置電源可能提供足夠保持IC正常工作的功率，所以，不能依賴它的丟失作為故障保護的手段。

UVLO和過壓關(guān)斷：

雖然在發(fā)現(xiàn)和分級期間接口電路執(zhí)行最初的欠壓鎖定功能，DC-DC轉(zhuǎn)換器也需要具備它自己的UVLO功能以滿足IEEE802.3af規(guī)范對工作范圍的要求。過壓關(guān)斷功能保護負載免受在CAT-5電纜上的反常高壓。此外，這兩種功能都應(yīng)該被集成到IC之中，以保持設(shè)計時間盡可能短。

MOSFET電流感測和限流：

在每一個開關(guān)周期感測和限制峰值MOSFET電流可能有助于防止變壓器飽和并使轉(zhuǎn)換器更為穩(wěn)定。在低功率級別，MOSFET電流感測是利用一個與MOSFET源極串聯(lián)的電流感測電阻實現(xiàn)的；這有效地增加了MOSFET漏-源極(RDS(ON))的導(dǎo)通電阻，但是，降低了轉(zhuǎn)換器的效率。然而，當(dāng)MOSFET與控制器一道被集成到同一晶片之上時，不需要任何外部元器件就可以感測和限制峰值MOSFET電流。除了減少轉(zhuǎn)換器的元器件數(shù)量之外，集成電流限制功能可以比利用外部元器件要快得多，并使轉(zhuǎn)換器更為強健可靠。

使用將所有這些功能都集成的電源轉(zhuǎn)換IC，設(shè)計時間可以被控制得非常短。此外，元器件數(shù)量和電源級的成本可以仍然非常低，甚至在采用分立接口電路的情況下，只要DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠被足夠地集成。Power Integrations公司已經(jīng)利用它的DPA-Switch產(chǎn)品家族開發(fā)了一種低成本、可靠的PD電源級。基于這種方法的電源級的電路圖如圖3所示。

圖3：基于DPA-Switch器件的PD電源級電路圖

此分立接口電路僅僅需要16個元器件，并已通過美國新罕布什爾州大學(xué)的互通性聯(lián)盟(UNH-IOC)的測試。該DC-DC轉(zhuǎn)換器圍繞Power Integrations公司高度集成的電源轉(zhuǎn)換IC(U1)進行設(shè)計，并且僅僅需要33個元器件。熱保護、啟動電流源、軟啟動、自動重啟動、UVLO、過壓關(guān)斷和MOSET電流感測及限流功能都完全集成到U1之中。220 V集成MOSFET的擊穿電壓(BVDSS)足夠高，150V齊納箝位二極管(VR3)足以保護集成MOSFET漏極節(jié)點免受反激電壓尖峰的干擾。

一個電阻(R5)就使UVLO和過壓關(guān)斷功能成為可能，與此同時，四個其它元器件(Q20、R21、R22和R23)降低了UVLO功能的關(guān)閉閾值以滿足IEEE802.3af要求。U1的控制引腳是為接收來自IC及輸出反饋而接收電源電流的電流輸入端。反饋信號的丟失會造成U2中斷向U1提供偏置電流，從而使之進入它的自動重啟動保護模式。此外，U1利用集成的MOSFE漏-源極之間的壓降來感測每一個開關(guān)周期的漏極(DRAIN)電流。如果漏極電流超過器件的峰值電流限制，集成比較器就會將MOSFET關(guān)斷。當(dāng)與適當(dāng)設(shè)計的變壓器一道使用時，這種電流限制功能排除了變壓器飽和的可能性，使轉(zhuǎn)換器非常強健可靠。DC-DC轉(zhuǎn)換器的其余部分是簡單的由電壓模式控制的反激式電路。

本文小結(jié)

PoE PD設(shè)計工程師正面臨著降低他們的電源級成本而不犧牲可靠性的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體集成是正用于解決這個問題的主要技術(shù)，其中有兩種常用方法。雖然接口電路與PWM控制器的集成最初看來是不錯的方法，但是，把PWM控制器和功率MOSFET集成在一起能夠既降低成本又可以縮短設(shè)計周期，而同時又不犧牲可靠性。DPA-Switch家族產(chǎn)品為設(shè)計工程師提供一種解決他們的PoE PD設(shè)計挑戰(zhàn)的有效的解決方案。

作者：John Jovalusky

技術(shù)市場工程師

Power Integrations公司