如何优化以太网供电 (PoE) PD 设计

Vince Wen

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什么是以太网供电 (PoE)？

以太网供电 (PoE) 解决方案可以在以太网电缆传输直流电源的同时将数据并行传输至IP 终端设备，无需更改现有的以太网标准电缆连接。在一根电缆上同时传输电力和数据不仅简化了安装、提高了可靠性，还通过减少线缆降低了成本。PoE 设备因此成为机房和办公室的常见选择，也是不便新装电源线的旧建筑物的理想选择。

本文将综合描述 PoE PD 的设计，讨论系统设计人员面临的挑战，还将介绍如何利用 MP8017 （集成型 PoE PD 和反激式电源变换器）优化 PoE PD 的设计，并进行验证。

PoE的演变

1999 年，在IEEE 和以太网联盟的努力之下，PoE实现了标准化，其目标是确保更广泛连接的受电设备 (PD) 和供电设备 (PSE) 之间的互操作性。首个标准 IEEE 802.3af 于 2003 年获得批准。该标准规定，电源必须能够通过单根电缆中的备用线对或数据线对进行传输。最新的 PoE 标准为 IEEE802.3bt (90W)，它涵盖了 5G 小型蜂窝、显示单元和 AP 路由器等更多应用。图 1 所示为 IEEE PoE 标准的发展时间线，最早从 1999 年≤10W 的标准开始。

图 1：PoE 标准演进史

PoE功率分级

根据所需的功率，PoE 设备被分为不同的级别（Class 0 至Class 8，共9个级别）。802.3af 标准涵盖了 Class 0 到 Class 3，电压范围在 37V 和 57V 之间，输出功率达 15.4W。这类设备被推荐用于传感器和简单摄像头。

802.3at 标准（也称为 PoE+）引入了 Class 4等级，在同等电压范围内将输出功率提高到了30W，但仅兼容 PoE+ PSE。这类设备可用于复杂摄像头、LCD 显示器和平板电脑。

最新的标准802.3bt （也称为 PoE++）则引入了 Class 5 到 Class 8等级，输出功率在 45W 到 90W 之间。这类设备可以支持笔记本电脑、电视和建筑物中的电气系统。图 2 对这些功率等级及其相关输入电压、输入功率和输出电压进行了总结。

图 2：PoE 功率分级

PoE工作原理

网络电缆由成对的双绞线组成，其中包括能够发送信息的数据线对和称为备用线对的未使用线对。PD 和 PSE 成功通信的过程被称为握手。握手的过程包括以下主要步骤：

PD 检查: PSE向PD电阻（24.9kΩ）发送一个测试电压（<10.1V）；若阻抗值匹配，则表明为一个标准 PoE 设备。
功率分级: PSE发送一个电压并获得电流反馈，以确认PD的功率等级（从Class 1到Class 8）。
供电: PSE的输入电源提升至54V左右。
稳定电源和监控器: 电源稳定在54V左右，同时根据分级结果限制最大功率。
断连: 如果PD断开，则PSE停止供电。

图 3 显示了PSE 和 PD之间的整体通信结构。

图 3：PSE 和 PD 通信的硬件结构

PSE 与 PD 握手时，电压电平的变化情况如图 4 所示。

图 4：握手期间输入电压的变化情况

PoE 解决方案的设计挑战

PoE 设备面临的首个设计挑战就是效率。尽管 PoE 设备综合了电源与数据的传输，但如果设计不当，效率会比较低。因此，设计人员必须优化电源电路以降低元件阻抗，并选择最佳变压器以提高效率。

另外，大量的功率传输会产生可闻噪声，从而影响设备满足现代 EMI 标准的能力。如果不加以规范，EMI 会导致周边设备性能降级并缩短系统的生命周期。功率高的 PoE 设备体积也更大，对空间受限的应用而言，可能会占据宝贵的空间。

图 5 显示了一个典型的 15W PoE PD 电源电路。由于所需元件数量较多，电路复杂且庞大。光耦合器和 TL431 稳压器单独组成其电路系统，其中也包含众多元件。

图 5：带光耦反馈的传统 15W PD 电源电路

优化 PoE 解决方案

有六种简单的方法可以优化传统电路（见图 6）。

图6: 优化PoE PD设计

下面将详细描述这些方法。

全集成: 对 PoE 设备而言，全集成解决方案是实现紧凑方案的绝佳方法。我们常对PoE 解决方案提出这样的疑问：系统能否包含 PD 和 DC/DC 变换器？方案能否包括热插拔 MOSFET 和功率 MOSFET？
这两个疑问的答案都是肯定的。通过集成 PD、变换器和 MOSFET，设计人员可以显著减小 PCB 尺寸并缩短设计周期。集成解决方案还可以降低BOM 成本，因为简化的解决方案需要的外部元件也更少。
反馈电路: 传统反激电路需要稳压器、光耦反馈网络、环路补偿和软启动电路。通过图 8我们可以看出这些电路的复杂性，例如传统的 SSR 反馈电路。随着反激技术的发展，后来出现了原边反馈法（第一代 PSR 反馈）；但这种类型的电路通常包含辅助绕组。
The MP8017 PoE PD 解决方案采用了一种新的反馈方法，称为第二代PSR 反馈。该系统不需要辅助绕组或光耦合器（见图 7），它利用 SW 引脚对输出电压 (V_OUT)进行采样。这种方法具备的优势如下所述：

变压器不需要辅助绕组，从而简化了设计电路；
变压器成本降低；
额外的电源绕组可以缠绕在同一磁芯上，以降低阻抗并提高效率。

图7: 反馈解决方案的组成

这种先进的反馈方法简化了电路并减小了BOM。

变压器设计: 在大多数设计中，变压器都是电路中物理体积最大且最昂贵的组件。传统上， 12W 应用采用EP13 变压器。但如果优化反馈电路并消除对辅助绕组的需求，设计人员就可以实现高开关频率 (f_SW)，从而减少变压器的匝数。这意味着可以用EP7 变压器替代 EP13，将占用空间缩小至不到三分之一（见图 8）。

图8: EP13 变压器vs. EP7 变压器

输出电容: 传统PoE设备的典型频率约为250kHz，需要电解电容来降低输出纹波。提高 f_SW 可以减少输出电容的数量。例如，当 f_SW 为 650kHz 时，一个 12W 的应用只需要两个 0805 陶瓷电容器。此外，采用连续导通模式 (CCM) 控制，变压器的副边峰值电流也更小。较小的峰值电流可进一步降低由输出电容ESR 和电路板电阻引起的输出纹波。图 9 对CCM 和非连续导通模式 (DCM) 下的副边电流进行了比较。

图9: DCM 和CCM模式下的变压器副边电流比较

EMI 设计: 所有的相关设备都必须通过 EMC 标准，但优化设备的EMI性能并非易事。反激式解决方案通常需要一个共模 (CM) 电感来提高 EMI 性能，但这种电感价格高昂并且需要占用宝贵的 PCB 空间。有两种方法可以在无需使用 CM 电感的情况下解决 EMI 问题：支持扩频频率抖动；创建更平滑的 SW 波形。当频率抖动时， f_SW 在其标称范围内波动。MP8017 通过M/D 引脚支持频率抖动功能。其频率抖动固定在±6%的幅度内，调制频率约为9kHz。图 10 展示出频率抖动对噪声尖峰的降低作用。

图10: 无频率抖动 vs. 频率抖动

优化 SW 波形是改善 EMI 的另一种方法（参见图 11）。

图11: 普通波形 vs. 优化波形

MP8017 采用上述方法让EMI 性能得到了极大的改善，并在不降低 EMI 性能的情况下避免了采用 CM 电感。

有源缓冲器: 在反激应用中，电阻电容二极管（RCD）缓冲器被广泛用作钳位电路，以降低SW的峰值电压并吸收漏感能量。但这种电路存在两个问题：

SW 会产生谐振，这会对 EMI 性能产生负面影响；
漏感能量消耗会降低系统效率。

有源钳位控制方法可以缓解这些问题（参见图 12）。这种方法采用功率 MOSFET 来代替传统 RCD 缓冲器中的电阻和二极管。MP8017 等器件利用它实现了副边调节 (SSR)，从而提高了效率。

图12: RCD缓冲器 vs. 有源缓冲器

通过上述的六种方法，与传统电路相比，最终电路将得到极大的简化（参见图 13）。

图13: 优化后的电路

结语

PoE 是一个创新的概念，它不断改善以满足现代技术持续增长的电力需求。尽管它具备一定的可靠性，但设计人员仍然很难保持解决方案的高效率，不过，我们可以通过一些优化方法来缓解这些问题。 MP8017 选用了最佳变压器、缓冲器和输出电容；它同时具备频率抖动功能，并将组件集成到单个芯片上；在不影响性能的情况下保证了解决方案的高效率。