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兼容于IEEE 802.3af標準的受電設備電源設計
摘要：介紹了MAXIM公司推出的以太網(wǎng)供電（POE）系統中的受電設備（PD）電源設計方案，該方案符合IEEE 802.3af標準�？蓮V泛用于ＩＰ電話(huà)、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)和因特網(wǎng)設備等。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準對以太網(wǎng)供電（ＰＯＥ）做出了詳盡的規定，它允許通過(guò)以太網(wǎng)傳輸數據的同時(shí)提供４８Ｖ電源，ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準中定義的電源供電設備（ＰＳＥ）是能夠通過(guò)１０ＢＡＳＥ－Ｔ、１００ＢＡＳＥ－Ｔ或者１０００ＢＡＳＥ－Ｔ網(wǎng)絡(luò )提供電源的ＤＴＥ或者Ｍｉｄｓｐａｎ設備，而ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準中定義的受電設備（ＰＤ）則是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )從電源供電設備（ＰＳＥ）取得電源的設備。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準中規定的ＰＳＥ可以提供約１３Ｗ功率。從而使小型數據設備可以通過(guò)它們的以太網(wǎng)連接獲得電源，而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源。這些設備包括數字ＶｏＩＰ電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)、因特網(wǎng)設備、計算機電話(huà)、安全攝像機或任何以太網(wǎng)連接的數據設備。ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ 標準的推出，大大擴展了以太網(wǎng)的應用，同時(shí)也給以太網(wǎng)帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間。
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ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ是一款高度集成的電源ＩＣ，適用于以太網(wǎng)供電（ＰＯＥ）系統中的受電設備（ＰＤ）。ＭＡＸ５９４１Ａ／ＭＡＸ５９４１Ｂ有兩個(gè)功能，一是提供ＰＳＥ與ＰＤ之間的接口，二是通過(guò)ＤＣ－ＤＣ ＰＷＭ控制器實(shí)現４８Ｖ電源轉換以輸出５Ｖ或者ＰＤ所需要的電壓，輸出電壓可實(shí)現隔離或者非隔離。ＭＡＸ５９４１Ａ的最大占空比為８５％，可用于反激式轉換器。ＭＡＸ５９４１Ｂ的占空比限制在５０％以?xún)�，主要用于單端正激式轉換器中。
２ ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準的ＰＤ接口特性
ＭＡＸ５９４１的ＰＤ接口特性符合ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準，可為ＰＤ提供偵測特征信號和分級信號，此外，ＭＡＸ５９４１還集成了一個(gè)具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開(kāi)關(guān)，同時(shí)還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（ＵＶＬＯ）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。
在偵測和分級期間，由于集成的ＭＯＳＦＥＴ可提供ＰＤ隔離，ＭＡＸ５９４１可保證偵測階段的泄漏電流失調小于１０μＡ。其可編程限流功能可防止上電期間產(chǎn)生很高的浪涌電流。這些器件的ＵＶＬＯ供電模式具有寬滯回和長(cháng)故障消隱時(shí)間等特性，因而可補償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統在偵測、分級和上／掉電諸狀態(tài)間無(wú)擾動(dòng)地轉換。ＭＡＸ５９４１的ＵＶＬＯ門(mén)限可調，并具有一個(gè)兼容于ＩＥＥＥ ８０２．３ａｆ標準的缺省值。ＭＡＸ５９４１可工作于ＰＤ前帶有或不帶二級管橋的設計中。
圖1
ＭＡＸ５９４１有三種不同的工作模式：ＰＤ偵測、ＰＤ分級和ＰＤ供電模式。
偵測模式（１．４Ｖ≤ＶＩＮ≤１０．１Ｖ）下，供電設備（ＰＳＥ）將向ＶＩＮ施加兩種１．４Ｖ～１０．１Ｖ范圍內的電壓（最小步長(cháng)１Ｖ），然后記錄兩個(gè)點(diǎn)的電流值，并由ＰＳＥ計算ΔＶ／ΔＩ，以確認２５．５ｋΩ特征電阻是否存在。在此模式下，ＭＡＸ５９４１內部的大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài)，失調電流小于１０μＡ。如果施加在ＰＤ上的電壓有可能被顛倒，則需要在輸入端安裝保護二極管，以免對ＭＡＸ５９４１造成內部損傷。由于ＰＳＥ使用斜率技術(shù)（ΔＶ／ΔＩ）來(lái)計算特征阻抗，這樣，保護二極管引起的直流偏差已被扣除，因而不會(huì )影響偵測過(guò)程。
分級模式（１２．６Ｖ≤ＶＩＮ≤２０Ｖ）下，ＰＳＥ根據ＰＤ所要求的功率對ＰＤ進(jìn)行分級。以便ＰＳＥ高效地管理功率分配。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ標準定義了五個(gè)不同的級別。分級電流可由連接在ＲＣＬ與ＶＥＥ之間的外部電阻（ＲＣＬ）來(lái)設定。ＰＳＥ通過(guò)在ＰＤ輸入端施加一個(gè)電壓，以及測量流出ＰＳＥ的電流來(lái)確定ＰＤ的分級。當ＰＳＥ施加一個(gè)介于１２．６Ｖ～２０Ｖ之間的電壓時(shí)。ＰＳＥ利用分級電流信息區分ＰＤ所需要的功率。分級電流包括２５．５ｋΩ偵測特征電阻吸收的電流和ＭＡＸ５９４１的電源電流，ＰＤ吸收的總電流應在ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ標準要求之內。進(jìn)入供電模式后，分級電流將被關(guān)斷。
供電模式下，當ＶＩＮ上升至欠壓鎖定門(mén)限( ＶＵＶ-ＬＯ,ＯＮ)以上時(shí)，ＭＡＸ５９４１將逐步開(kāi)啟內部Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ管Ｑ１。圖１是ＭＡＸ５９４１的內部接口電路框圖。ＭＡＸ５９４１用一個(gè)恒流（典型值為１０μＡ）對Ｑ１柵極充電。Ｑ１的漏－柵電容限制了ＭＯＳＦＥＴ漏極電壓的上升速率，因而限制了浪涌電流。為了降低浪涌電流，也可在外部添加漏－柵電容。當Ｑ１的漏－源電壓降至１．２Ｖ以下，且柵－源電壓高于５Ｖ時(shí)，ＭＡＸ５９４１會(huì )發(fā)出“電源好”信號。由于ＭＡＸ５９４１具有較寬的ＵＶＬＯ滯回和關(guān)斷消隱時(shí)間，因而可補償雙絞電纜的高阻抗。
３ 用ＭＡＸ５９４１實(shí)現４８Ｖ電源轉換
ＭＡＸ５９４１是電流模式的ＰＷＭ控制器，可將４８Ｖ輸入電源轉換成５Ｖ電壓輸出，ＭＡＸ５９４１用內部穩壓器取代高功耗的啟動(dòng)電阻，這不但可為ＭＡＸ５９４１提供啟動(dòng)所需的電能，還能穩定第三（偏置）繞組的輸出電壓，從而為ＩＣ提供穩定的工作電源。開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，調節器將Ｖ＋調整到ＶＣＣ并為器件提供偏置。啟動(dòng)之后，改由ＶＤＤ穩壓器從第三繞組輸出穩定的ＶＣＣ。此結構只需一只很小的電容即可對第三繞組的輸出進(jìn)行濾波，從而省下了一只濾波電感的成本。
在設計第三繞組時(shí)，所設計的線(xiàn)圈匝數應保證最小反射電壓始終大于１２．７Ｖ。而最大反射電壓則必須小于３６Ｖ。
為降低功耗，當ＶＤＤ電壓達到１２．７Ｖ后，可以將高壓調節器關(guān)掉。這樣可以降低功耗并改善效率。如果ＶＣＣ降低到欠壓鎖定門(mén)限（ＶＣＣ＝６．６Ｖ）以下，低壓調節器將被關(guān)閉，電路重新進(jìn)入軟啟動(dòng)。此時(shí)欠壓鎖定狀態(tài)ＭＯＳＦＥＴ驅動(dòng)器的輸出（ＮＤＲＶ）保持為低。
如果輸入電壓介于１３～３６Ｖ之間，只要不超出最大功耗，就可以將Ｖ＋和ＶＤＤ連接到線(xiàn)電壓。這樣就可省掉第三繞組。
４ ＭＡＸ５９４１的設計實(shí)例
ＭＡＸ５９４１的一
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