兼容于IEEE 802.3af标准的受电设备电源设计

时间：2023-03-18 20:19:24 理工毕业论文我要投稿

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摘要：介绍了MAXIM公司推出的以太网供电（POE）系统中的受电设备（PD）电源设计方案，该方案符合IEEE 802.3af标准。可广泛用于ＩＰ电话、无线接入点和因特网设备等。

ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准对以太网供电（ＰＯＥ）做出了详尽的规定，它允许通过以太网传输数据的同时提供４８Ｖ电源，ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准中定义的电源供电设备（ＰＳＥ）是能够通过１０ＢＡＳＥ－Ｔ、１００ＢＡＳＥ－Ｔ或者１０００ＢＡＳＥ－Ｔ网络提供电源的ＤＴＥ或者Ｍｉｄｓｐａｎ设备，而ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准中定义的受电设备（ＰＤ）则是通过网络从电源供电设备（ＰＳＥ）取得电源的设备。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准中规定的ＰＳＥ可以提供约１３Ｗ功率。从而使小型数据设备可以通过它们的以太网连接获得电源，而不需要从墙上的交流电源插座获取电源。这些设备包括数字ＶｏＩＰ电话、网络无线接入点、因特网设备、计算机电话、安全摄像机或任何以太网连接的数据设备。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准的推出，大大扩展了以太网的应用，同时也给以太网带来了巨大的发展空间。

１　ＭＡＸ５９４１的功能

ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ是一款高度集成的电源ＩＣ，适用于以太网供电（ＰＯＥ）系统中的受电设备（ＰＤ）。ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ有两个功能，一是提供ＰＳＥ与ＰＤ之间的接口，二是通过ＤＣ－ＤＣＰＷＭ控制器实现４８Ｖ电源转换以输出５Ｖ或者ＰＤ所需要的电压，输出电压可实现隔离或者非隔离。ＭＡＸ５９４１Ａ的最大占空比为８５％，可用于反激式转换器。ＭＡＸ５９４１Ｂ的占空比限制在５０％以内，主要用于单端正激式转换器中。

２ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准的ＰＤ接口特性

ＭＡＸ５９４１的ＰＤ接口特性符合ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准，可为ＰＤ提供侦测特征信号和分级信号，此外，ＭＡＸ５９４１还集成了一个具有可编程浪涌电流控制功能的集成隔离开关，同时还具有宽滞回供电模式欠压锁定（ＵＶＬＯ）以及“电源好”状态输出等功能。

在侦测和分级期间，由于集成的ＭＯＳＦＥＴ可提供ＰＤ隔离，ＭＡＸ５９４１可保证侦测阶段的泄漏电流失调小于１０μＡ。其可编程限流功能可防止上电期间产生很高的浪涌电流。这些器件的ＵＶＬＯ供电模式具有宽滞回和长故障消隐时间等特性，因而可补偿电压在双绞电缆上的阻性衰减，并确保系统在侦测、分级和上／掉电诸状态间无扰动地转换。ＭＡＸ５９４１的ＵＶＬＯ门限可调，并具有一个兼容于ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准的缺省值。ＭＡＸ５９４１可工作于ＰＤ前带有或不带二级管桥的设计中。

图1

ＭＡＸ５９４１有三种不同的工作模式：ＰＤ侦测、ＰＤ分级和ＰＤ供电模式。

侦测模式（１．４Ｖ≤ＶＩＮ≤１０．１Ｖ）下，供电设备（ＰＳＥ）将向ＶＩＮ施加两种１．４Ｖ～１０．１Ｖ范围内的电压（最小步长１Ｖ），然后记录两个点的电流值，并由ＰＳＥ计算ΔＶ／ΔＩ，以确认２５．５ｋΩ特征电阻是否存在。在此模式下，ＭＡＸ５９４１内部的大部分电路处于关闭状态，失调电流小于１０μＡ。如果施加在ＰＤ上的电压有可能被颠倒，则需要在输入端安装保护二极管，以免对ＭＡＸ５９４１造成内部损伤。由于ＰＳＥ使用斜率技术（ΔＶ／ΔＩ）来计算特征阻抗，这样，保护二极管引起的直流偏差已被扣除，因而不会影响侦测过程。

分级模式（１２．６Ｖ≤ＶＩＮ≤２０Ｖ）下，ＰＳＥ根据ＰＤ所要求的功率对ＰＤ进行分级。以便ＰＳＥ高效地管理功率分配。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准定义了五个不同的级别。分级电流可由连接在ＲＣＬ与ＶＥＥ之间的外部电阻（ＲＣＬ）来设定。ＰＳＥ通过在ＰＤ输入端施加一个电压，以及测量流出ＰＳＥ的电流来确定ＰＤ的分级。当ＰＳＥ施加一个介于１２．６Ｖ～２０Ｖ之间的电压时。ＰＳＥ利用分级电流信息区分ＰＤ所需要的功率。分级电流包括２５．５ｋΩ侦测特征电阻吸收的电流和ＭＡＸ５９４１的电源电流，ＰＤ吸收的总电流应在ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ标准要求之内。进入供电模式后，分级电流将被关断。

供电模式下，当ＶＩＮ上升至欠压锁定门限( ＶＵＶ-ＬＯ,ＯＮ)以上时，ＭＡＸ５９４１将逐步开启内部Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ管Ｑ１。图１是ＭＡＸ５９４１的内部接口电路框图。ＭＡＸ５９４１用一个恒流（典型值为１０μＡ）对Ｑ１栅极充电。Ｑ１的漏－栅电容限制了ＭＯＳＦＥＴ漏极电压的上升速率，因而限制了浪涌电流。为了降低浪涌电流，也可在外部添加漏－栅电容。当Ｑ１的漏－源电压降至１．２Ｖ以下，且栅－源电压高于５Ｖ时，ＭＡＸ５９４１会发出“电源好”信号。由于ＭＡＸ５９４１具有较宽的ＵＶＬＯ滞回和关断消隐时间，因而可补偿双绞电缆的高阻抗。

３用ＭＡＸ５９４１实现４８Ｖ电源转换

ＭＡＸ５９４１是电流模式的ＰＷＭ控制器，可将４８Ｖ输入电源转换成５Ｖ电压输出，ＭＡＸ５９４１用内部稳压器取代高功耗的启动电阻，这不但可为ＭＡＸ５９４１提供启动所需的电能，还能稳定第三（偏置）绕组的输出电压，从而为ＩＣ提供稳定的工作电源。开始启动时，调节器将Ｖ＋调整到ＶＣＣ并为器件提供偏置。启动之后，改由ＶＤＤ稳压器从第三绕组输出稳定的ＶＣＣ。此结构只需一只很小的电容即可对第三绕组的输出进行滤波，从而省下了一只滤波电感的成本。

在设计第三绕组时，所设计的线圈匝数应保证最小反射电压始终大于１２．７Ｖ。而最大反射电压则必须小于３６Ｖ。

为降低功耗，当ＶＤＤ电压达到１２．７Ｖ后，可以将高压调节器关掉。这样可以降低功耗并改善效率。如果ＶＣＣ降低到欠压锁定门限（ＶＣＣ＝６．６Ｖ）以下，低压调节器将被关闭，电路重新进入软启动。此时欠压锁定状态ＭＯＳＦＥＴ驱动器的输出（ＮＤＲＶ）保持为低。

如果输入电压介于１３～３６Ｖ之间，只要不超出最大功耗，就可以将Ｖ＋和ＶＤＤ连接到线电压。这样就可省掉第三绕组。

４ＭＡＸ５９４１的设计实例

ＭＡＸ５９４１的一

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