分析并設(shè)計(jì)了一種基于MAX5941B控制器的DC-DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器采用電流峰值控制型反激式拓?fù)?，用于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)的受電設(shè)備中。

以太網(wǎng)供電PoE(Power over Ethernet)技術(shù)正日益受到人們的青睞，它可以消除各終端設(shè)備需安裝許多AC 適配器和 AC 插座的要求。

一個(gè)完整的以太網(wǎng)供電系統(tǒng)包括供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)兩部分，兩者基于IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)建立起有關(guān)連接情況、設(shè)備類型、功耗級(jí)別等方面的信息聯(lián)系。由于受電設(shè)備功率較低(≤12.95W)，所以不易實(shí)現(xiàn)高效率和高穩(wěn)定性。本文分析并設(shè)計(jì)一種具有成本低、效率高(86%)、輸出與輸入電壓隔離、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)的DC/DC變換器，著重對(duì)控制回路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)換器可用于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)的受電設(shè)備中，符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)。

1 PD接口的實(shí)現(xiàn)

典型的PD需要一個(gè)符合IEEE802.3af的以太網(wǎng)供電接口和一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖1所示。接口電路包括分級(jí)電路、UVLO和電流限制電路等，如果采用分立器件構(gòu)建，將會(huì)使變換器的實(shí)現(xiàn)變得復(fù)雜，且成本可能比集成化的接口控制器更高。MAX5941A/MAX5941B集成了PD接口控制器和適用于Flyback和Forward的PWM控制器，使設(shè)計(jì)變得高效、快捷。

當(dāng)一個(gè)受電設(shè)備插入一個(gè)PoE系統(tǒng)時(shí)，會(huì)依次出現(xiàn)符合一定時(shí)序的三個(gè)階段：檢測(cè)、分類和供電接通。當(dāng)PSE輸出電壓在2.7～10.1V之間時(shí)，PD提供符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的25.5kΩ的輸入電阻和0.05μF～0.12μF(如0.1μF)的電容。成功檢測(cè)之后，PSE將PD分級(jí)來決定消耗多少電量。0類(缺省的最大功率類)最大功率為12.95W，此時(shí)的檢測(cè)電阻RCL=10kΩ。

供電接通電路在檢測(cè)/分類階段將PD與PSE隔離開，這是一種欠壓鎖閉機(jī)制。MAX5941B工作電壓可達(dá)67V，帶有缺省的UVLO功能(輸入電壓高于39V時(shí)啟動(dòng)，低于30V時(shí)關(guān)斷)。通過調(diào)節(jié)外部分壓電阻可以調(diào)整門限電壓值。

2 DC-DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)

(1)主電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的受電設(shè)備基本規(guī)格為：輸入電壓為36~57V，輸出電壓為5V和最大輸出電流為2.5A。選擇適用于中小功率變換的Flyback拓?fù)?，其電路具有?jiǎn)潔、成本低、輸出與輸入電壓有電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但是，反激式變換器也具有輸出電壓尖峰較大、需要大容量且能耐高紋波電流的輸出濾波電容等缺點(diǎn)。因此，通常在反激變換器主儲(chǔ)能電容后面加一小型LC濾波器，使電路在開關(guān)頻率附近具有約-20dB/dec的衰減[2]。

主電路主要工作在連續(xù)電流模式(CCM)。與斷續(xù)電流模式(DCM)相比，CCM模式的電流峰值和有效值較低，效率更高。但是，CCM模式的反激變換器控制至輸出傳遞函數(shù)之間有一個(gè)右半平面的零點(diǎn)，當(dāng)占空比開始變化時(shí)，輸出將會(huì)先向相反的方向變化，易引起電路的振蕩[3]，其動(dòng)態(tài)特性沒有DCM模式好。因此，這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

3 變壓器設(shè)計(jì)

反激式變換器設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計(jì)。反激式電路的變壓器并不是一個(gè)實(shí)際意義上的變壓器，而是一個(gè)多線圈耦合電感，主要用于存儲(chǔ)能量。在電流連續(xù)工作模式下，反激式變壓器的直流分量相當(dāng)大，交流分量較小，變壓器設(shè)計(jì)主要受磁芯飽和而非磁芯損耗的限制。

在設(shè)計(jì)變壓器之前，首先應(yīng)確定電源參數(shù)，如：最大占空比(本設(shè)計(jì)選擇Dmax=0.42)、開關(guān)頻率(MAX5941B的fs≈275kHz)、輸入電壓范圍、輸出功率、變壓器預(yù)計(jì)效率、磁芯的選擇等。本設(shè)計(jì)預(yù)先選用目前廣泛應(yīng)用的EFD15/PC40磁芯，其扁平設(shè)計(jì)為減小電源體積提供了很大幫助。

其次，在開始設(shè)計(jì)CCM反激式變壓器時(shí)，由于原邊繞組的電感只影響開關(guān)電源的工作方式，沒有把它看作是設(shè)計(jì)變壓器的重要參數(shù)。但在考慮最大磁通密度、變壓器損耗(磁芯損耗和銅損)后，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮此電感。在本設(shè)計(jì)中，取適當(dāng)?shù)母边吋y波電流峰峰值，利用已選擇好的磁芯，計(jì)算出繞組匝數(shù)Np=35,Ns=7及Nb=20，原邊電感最大值Lp=158μH，此時(shí)計(jì)算出的電感最大值與變壓器損耗最小值是一致的[4]。

為了減小變壓器漏感和線圈之間的鄰近效應(yīng)，初級(jí)繞組采用兩組并聯(lián)，并與次級(jí)線圈、偏置繞組交錯(cuò)繞制。

4 控制回路的設(shè)計(jì)

MAX5941B為電流峰值型控制器。與電壓型控制相比，電流型控制的優(yōu)點(diǎn)：由于電感電流斜率由輸入電壓Vin和輸出電壓Vo共同決定，輸入電壓的變化使電感電流的波形迅速變化，從而提高了輸出對(duì)輸入變化的響應(yīng)速度;從指令電流到輸出電壓的傳遞函數(shù)只有單極點(diǎn)，易于補(bǔ)償;通過限制最大指令電流，可防止開關(guān)管由于過流而損壞。

為了防止開關(guān)開通時(shí)，由于變壓器電容和輸出整流管恢復(fù)電流而產(chǎn)生的前沿尖峰噪聲，電流取樣時(shí)可加入小電容—電阻進(jìn)行濾波。

假定電感電流脈動(dòng)很小，引入峰值控制信號(hào)

，則電流控制模式下，電流為CCM時(shí)控制至輸出的傳遞函數(shù)為： [!--empirenews.page--]

通過以上分析可知，電路在補(bǔ)償前的開環(huán)傳遞函數(shù)：Go(s)=GVC(s)KVDKFBKi，包含一個(gè)左半平面零點(diǎn)fz1≈26kHz，具有一個(gè)右半平面零點(diǎn)fz2≈33kHz，一個(gè)極點(diǎn)fp≈1.1kHz。

為了提高回路的低頻增益，消除右半平面零點(diǎn)對(duì)電路產(chǎn)生的不穩(wěn)定影響，圖2所示的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中：R5與C1產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償fz1，R6與C2產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)補(bǔ)償fP，且該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)。補(bǔ)償后，電路在滿載時(shí)的交越頻率約為3kHz，約為右半平面零點(diǎn)的1/10，相位裕量約為90°。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從滿載至40%滿載切換時(shí)，電路的動(dòng)態(tài)特性Io與Vo的波形如圖4所示。

從波形中可以看出，從滿載至輕載切換時(shí)，恢復(fù)時(shí)間為100μs，瞬態(tài)過沖電壓約為100mV;從輕載至滿載切換時(shí)，恢復(fù)時(shí)間為 100μs，瞬態(tài)過沖電壓約為80mV。由于交越頻率約為3kHz，帶寬較寬，所以響應(yīng)速度較快。同時(shí)，開環(huán)低頻增益大，閉環(huán)控制顯著抑制負(fù)載擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。

MAX5941B集成了PD接口控制器和PWM控制器，使接口控制電路易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，通過合理的變壓器和控制回路設(shè)計(jì)，可以為PoE受電設(shè)備構(gòu)建一個(gè)成本低、體積小、效率高和穩(wěn)定性好的DC/DC變換器。