一种以太网供电的隔离型反激式PD控制器设计

陈君毅，陈伟，林钦坚，宾显文

(广州中海达卫星导航技术股份有限公司 基础研究院，广州 511400)



一种以太网供电的隔离型反激式PD控制器设计

陈君毅，陈伟，林钦坚，宾显文

(广州中海达卫星导航技术股份有限公司 基础研究院，广州 511400)

摘要:本PD控制器集成开关稳压器，内置同步反激式控制器，符合IEEE802.3at标准，提供25.5 W的高功率输出。支持宽电压输入及外部辅助电源输入，具有欠压、过压、过流和热保护功能，在大负载的情况下电源效率达到88%。实际PD模块验证表明，该电源模块在以太网供电应用领域，具有很突出的优势，拓宽了以太网电缆供电的应用范围。

关键词:PD控制器；反激；隔离；PoE

引言

以太网供电(PoE)技术，优势在于利用双绞线能够同时传输DC功率和数据，并保持现有的以太网系统和用户的兼容。通过PoE技术，在保证了现有网络数据传输安全的同时，极大地优化了供电设备结构布线布局，能够远程维护和管理，成本也更低。本文提供一种符合IEEE802.3at标准的PD控制器，与现有的PD硬件方案比较，本电路具有以下优势：

① 能提供更高的功率输出，电源效率>92%;

② 新型的无光隔离器反馈拓扑结构;

③ 集成欠压、过压和热保护功能;

④ 支持辅助电源接入，供电设备切换灵活。

1方案设计

本文采用的IC控制器是凌力尔特公司的LTC4269-1,该模块集成了开关稳压器的PD控制器，符合IEEE802.3at标准,内部集成了同步反激式控制器，因此选用反激式变压器来实现能量的传递。相对于正激式变压器，反激式变压器的优点在于电路简单、转换效率高、输入电压范围大和匝数比值小。

本PD控制器，采用凌力尔特公司的无光耦隔离器反馈专利技术。在传统的DC/DC转换器中，通常使用带光耦隔离的电压反馈控制调节输出电压。光耦反馈正是利用原边电流变化导致副边电流变化来实现反馈的，其电路需严格设计外围参数，使其工作在较宽的线性带内，并且光耦合电流放大系数受温度影响较大，会随着温度变化而变化，所以光耦合器电路设计复杂，温度敏感性高，光耦合容差导致易变为环路增益。PD控制器采用无光耦隔离器反馈技术，即使用第三绕组来实现电压反馈。它利用法拉第电磁感应定律，在功率管关断期间，变压器两端的匝数比值是恒定值，因此可以反映输出电压的大小。该电路简单、设计方便且抗干扰能力强。因此，变压器选择正反激组合型。

图1　主电路设计模块

主电路设计模块如图1所示。对于该电路，初级晶体管的开关状态刚好与次级晶体管的状态相反。当初级MOSFET导通时，输入电压Vin加在初级电感线圈上，电能转化为磁能存储在初级电感线圈上，而次级MOSFET断开，负载功率由输出电容提供。当初级MOSFET断开时，初级电感线圈磁能通过互感耦合到次级线圈，而次级MOSFET导通，为负载提供能量。与此同时，次级电感线圈将磁能传递到第三绕组，实现电压反馈。

2硬件电路设计

具体硬件实现电路如图2所示。

图2　硬件实现电路图

输入电压与输出电压的关系：

图4　转换效率及输出电压与负载电流关系

其中，NSF为变压器初级线圈与次级线圈的匝数比；DC为MOSFET工作周期；反馈电压由输出电压Vout所决定。

其中，RDS(ON)为第二绕组MOSFET导通电阻，ISEC为变压器次级电流，ESR为变压器第二绕组阻抗和电容器阻抗；NSF为变压器有效的第二绕组和第三绕组的匝数比(即NS/NFLBK)。

反馈电压通过外部电阻R1和R2分压，进入到LTC4269-1的FB引脚，VFLBK和VFB的关系为：

LTC4269-1内部是一个反馈放大器，通过比较VFB与内部的基准电压，调整原边MOSFET和副边的PWM波形，从而起到了调节输出电压Vout的作用，使其调整到预设的输出电压值。

欠压保护，Vin通过R3和R4分压，进入UVLO引脚，实现对输入电压的监控，当分压电压低于阀值1.24 V时，LTC4269-1芯片进入锁定状态。

过流保护，通过R7电流采样电阻对MOSFET的电流进行采集监控。当流过R7的电流过高、Vsense+引脚电压高于阀值98 mV时，将进入保护状态，LTC4269-1将停止工作。

3Layout注意事项

变压器两端的接地应严格隔离分开，MOSFET与绕组形成的闭合回路应尽可能短。保证短的路径和小的环路，可以极大改善开关噪声以及切换过程的漏感，减少能量损耗。具体电路布局情况如图3所示。

图3　实现电路Layout

4性能测试

实际设计输入电压为42 V，输出电压为12 V，输出功率达25.5 W，在大负载情况下转换效率达到88%。实际测试与数据分析证明，该模块均能满足设计要求。实测结果如图4所示。

结语

参考文献

[1] Alison Steer,Heath Stewart.高效的以太网供电解决方案降低了总体成本[J] .今日电子,2013(5).

[2] 邓石梅,龙沪强.以太网供电技术及受电端电路设计[J] .自动化仪表,2012(3).

[3] 徐丽萍,雒明世.PoE设计方案分析[J] .电气应用,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] 敖志刚.万兆位以太网及其实用技术[M] .北京:电子工业出版社,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

中图分类号:TN973.4

文献标识码:A