Мишель Склоччи (Michele Sclocchi)

Новое поколение источников питания через сеть Ethernet на основе однокристального решения LM5070

Технология питания через сеть Ethernet (PoE) — технология объединения питания и данных в одном стандартном кабеле сети Ethernet. В сетевом оборудовании, например в IP-телефонах, камерах наблюдения, узлах радиосетей и даже музыкальных инструментах, используется технология PoE. В данной статье описываются практические подходы к разработке обратноходовых преобразователей для реализации технологии PoE на основе интегральной схемы LM5070 компании National Semiconductor, которая представляет собой однокристальное решение источника питания через сеть Ethernet с поддержкой всех функций, необходимых для получения высокоэффективной разработки.

Устройства с питанием через сеть Ethernet (PoE) стремительно набирают популярность, так как PoE-устройства не требуют применения источников питания с настенным монтажом, и за счет этого снижается общая стоимость системы. Кроме того, широкая распространенность по всему миру разъемов питания RJ-45 гарантирует глобальную совместимость PoE-устройств. Наконец, устройства с поддержкой PoE предлагают превосходную гибкость управления повышением или понижением напряжения питания. По данным исследовательской компании Venture Development ожидается увеличение рынка интегральных схем с поддержкой PoE со 133 млн штук в 2004 году до 246 млн штук в 2007 году.

Технология PoE позволяет реализовать питаемые через сеть устройства (ПСУ), которые получают питание через существующее кабельное соединение. Оборудование с источником питания (ОИП) выполняет прецизионные измерения подключенных ПСУ, чтобы гарантировать их соответствие стандарту. Если проверка на соответствие ПСУ стандарту позитивная, то ОИП подает ему питание 48 В (рис. 1).

Рисунок 1. Типичная PoE-система

Режим работы ПСУ совместим со стандартами IEEE

В июне 2003 года был утвержден IEEE — стандарт для PoE-продукции. Стандарт IEE802.3af гарантирует безопасность подачи питания как к наследуемым устройствам, так и к устройствам с поддержкой PoE при сохранении существующей кабельной инфраструктуры и гарантировании целостности передаваемых данных. В соответствии со стандартом IEEE используется постоянное напряжение 48 В, которое передается через 2 или 4 витых пары стандартного кабеля Cat 5e. Суммарная мощность каждого порта имеет четыре класса ограничения в диапазоне от 4 Вт до 15,4 Вт.

ОИП определяет подключение ПСУ путем измерения сопротивления кабеля (сигнатура). Если сопротивление находится в пределах 23,7–26,25 кОм, то ОИП считает, что ПСУ подключено.

Использование блокировки при снижении напряжения (БСН) для напряжений свыше 23 В предотвращает сбои в определении сигнатурного сопротивления и позволяет разрешить работу только после приложения всего напряжения к ПСУ по завершении заряда входной емкости и установления выходного напряжения.

Опционально может быть выполнена классификация из ПСУ, которая позволяет определить, к какому классу мощности относится ОИП (рис. 2).

Рисунок 2. Детекция, классификация и приложение номинального напряжения

Как только БСН отключается, интерфейсная часть LM5070 начнет заряжать емкость нагрузки, которая в то же время является входной емкостью для импульсного источника питания (ИИП). Зарядный ток этой емкости управляется силовым МОП-транзистором и ограничивается на уровне не более 420 мА. Кроме того, предусмотрена возможность программирования пускового тока в диапазоне 100–375 мА.

LM5070 несет в себе уникальный набор особенностей и преимуществ

Высоковольтный PoE-контроллер LM5070 выполняет все функции, необходимые для построения источника питания ПСУ. Он интегрирует схему ШИМуправления с поддержкой токового режима в компактном 16-выводном корпусе (рис. 3).

Рисунок 3. Структурная схема системы питания ПСУ с использованием LM5070

LM5070 характеризуется рядом уникальных характеристик, которые позволяют упростить процесс проектирования, в том числе:

• сочетание полностью совместимого со стандартом IEEE 802.3AF интерфейса ПСУ с высокоэффективным контроллером импульсного преобразователя с поддержкой токового режима;
• возможность программирования пользователем сигнатурного сопротивления, порогов БСН, пускового тока и классификационного тока;
• защитное ограничение пускового/аварийного тока, пошаговое ограничение тока с автоматическим перезапуском и защитное отключение при перегреве;
• возможность регулировки с помощью двух внешних резисторов порога срабатывания и гистерезиса БСН;
• внутреннее управление последовательностью подачи напряжений: в состав LM5070 полностью интегрировано соединение между интерфейсом ПСУ и преобразователем постоянного напряжения;
• поддержка конфигураций импульсных источников питания с гальванической развязкой и без: встроенный прецизионный источник опорного напряжения и усилитель отклонения интегрированы для преобразователей без развязки, а вход с подтягиванием потенциала к плюсу питания позволяет подключить оптопару в изолированных преобразователях;
• отключение сигнатурного резистора: сигнатурное сопротивление 25 кОм отключается после детекции ПСУ во избежание снижения к.п.д.

Типичный пример построения ИИП для POE-устройств

Преимущество высокой степени интеграции LM5070 усиливается совместимостью с требованиями стандарта IEE802.3af, при этом требуя минимальное количество внешних компонентов. На рис. 4 представлена схема неизолированного обратноходового импульсного источника питания, в которой используется незначительное количество внешних компонентов. Основными составными блоками данного ИИП являются ключевой МОП-транзистор (Si4848, 150В/3A), импульсный трансформатор с одной первичной и одной вторичной обмоткой, один диод для выпрямления выходного напряжения, а также входной и выходной конденсаторы.

Рисунок 4. Неизолированный импульсный источник питания на основе LM5070 в минимальной конфигурации и поддерживаемым классом мощности 0

Схема быстродействующего ШИМ-контроллера с токовым режимом управления предпочтительна в обратноходовой топологии с непрерывным режимом обработки, где привносит преимущество управления входным током и его ограничения, а также стабилизации выходного напряжения в одной и той же схеме. Передаточные характеристики по входному напряжению и току нагрузки реализуются за счет варьирования рабочим циклом регулировочного транзистора. Рабочий цикл (коэффициент заполнения импульсов управления) зависит от погрешности выходного напряжения и от пилообразного сигнала, который сформирован током первичной обмотки импульсного трансформатора и снят с токоизмерительного резистора.

Пошаговое ограничение тока реализовано путем сравнения сигнала, пропорционального измеренному току, с внутренним источником опорного напряжения (ИОН). Типичная проблема нестабильности из-за генерации субгармоник при коэффициентах заполнения импульсов управления свыше 50% решается за счет внутренней компенсации наклона в линейно-нарастающем сигнале, несущего информацию об измеренном токе.

Рисунок 5. Изолированный обратноходовой импульсный источник питания с программируемым классом и программируемым пусковым током

На рис. 5 представлена схема импульсного источника питания PoE-устройства с программируемым классом и программируемым пусковым током. В источнике питания реализованы три различные схемы защиты от токовой перегрузки и перегрева:

1. программируемый контроллер защиты от токовой перегрузки ограничивает выбросы начального тока;
2. если постоянный ток, протекающий через основной регулировочный МОП-транзистор, превышает 375 мА, тогда токоограничивающий усилитель переводит МОП-транзистор в насыщение, что вызывает нарастание напряжения на стоке (RTN). Когда напряжение на выводе RTN по отношению к выводу VEE нарастает свыше 2,5 В, выход индикации корректности выходного напряжения PowerOK = 0, конденсатор плавного старта разряжается и схема предпринимает непрерывные попытки рестарта;
3. температурная защита является завершающим уровнем защит от аварийных режимов работы и других ситуаций, которые связаны с возможностью выхода за пределы безопасной рабочей зоны.

Компания Coilcraft разработала импульсные трансформаторы специально для работы с LM5070. Применение данных трансформаторов позволяет добиться максимально-возможного к.п.д. преобразования. По вопросам получения технической информации, заказа бесплатных образцов и поставки продукции компании National Semiconductor обращайтесь к официальным дилерам — компаниям КОМПЭЛ и Rainbow Technologies.

Литература

1. Берри Сигноретти, Джо де Николас. Проектирование источников питания PoE-устройств (http://www.national.com/onlineseminar/2004/poe/poe.html).
2. Мартин Шильд. Технология PoE расширяет сферы применения Ethernet//Future Electronics Europe.
3. Документация на LM5070 и рекомендации по применению.