15W以太网电源及接口设备实例

以太网（Ethernet Network）是目前最常用的一种局域网。目前，快速以太网的传输速率为100Mbit/s，而千兆以太网的传输速率高达1000Mbit/s（1Gbit/s）。以太网具有高度灵活、相对简单、易于实现等显著优点，其传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤，现已成为最重要的一种局域网。

以太网供电系统简称PoE（Power over Ethernet），它包括以太网供电设备（Power Sour-cing Equipment，即以太网电源，简称PSE）、以太网用电设备（Powered Device，简称为PD）两大部分，仅通过一根以太网电缆即可向用户端设备传输数据并提供直流电源，而不需要另外布线。以太网电源中的用电设备可以是功率不超过13W的IP电话、网络安全摄像机、掌上电脑、手机充电器等多种以太网设备。

以太网电源具有以下功能：①可提供PD检测与分类信号；②能提供到DC/DC电源变换器的软启动接口；③具有过电流保护、过电压保护、过热保护等功能。

根据PoE规范，PD应具有以下三个基本功能：

（1）能识别信号阻抗。当一个输入电压加到PD时，它必须在规定电压范围内呈现正确的识别信号阻抗。当某个以太网用电设备请求供电时，首先给以太网发出2.5～10V的电压信号，有效的PD检测到此电压信号后就将一个23.75～26.25kΩ电阻置于供电回路上，电流会随输入电压而变化；通过检测该电流确认在以太网电缆终端有一个有效的以太网用电设备需要供电。如放置的电阻值在12～23.75kΩ或在26.25～45kΩ范围内，则认为该以太网用电设备有效但不需要供电。其他范围的电阻值则意味着所检测到的以太网用电设备无效。

（2）类型。PD有不同的类型，每种类型对应于一定的电流。例如，“0”类PD的电流为0.5～4mA。当PD检测有效信号之后，就对PD进行分类。具体方法是将送到网络链路上的电压升高到15.5～20.5V，使PD获得一个固定的电流，再根据电流范围完成PD分类。

（3）开关连接。连接以太网电源的开关主要有两种，一种是双极型晶体管开关，其电源效率较高，成本较低；另一种开关为MOSFET开关，其电源效率极高（可接近于100%）。

由DPA424P构成15W以太网电源的电路如图8-3所示。该电源包括两大部分：以太网接口电路（电路中用虚线框表示），DC/DC电源变换器。

以太网电源接口电路的工作过程可分为以下三个阶段：在第一阶段，当输入电压加到PSE时，它必须在直流2.5～10V的电压范围内呈现正确的识别信号阻抗，电阻R₁₃（24.9kΩ）可提供这个阻抗；在第二阶段，当直流输入电压为15～20V时，PSE用一个规定的电流来识别用电设备的类型，例如“0类”电流范围是0.5～4mA，这也由R₁₃来完成；在第三阶段，通过双极型开关管（VT）将输入电压接到DC/DC电源变换器上，该电源变换器允许输入超过30V（28V+U_R14）的直流电压。此时稳压管VD_Z1被反向击穿，通过R₁₄给VT提供基极电流。R₁₅的作用是防止在其他条件下开启电源。一旦开启电源，辅助绕组输出的高频电压信号就经过耦合电容C₃、整流管VD₂和限流电阻R₁₆来提高VT的直流偏压，使基极电流增大。在负半周时VD₁导通，可确保加到基极上的偏压总为正压。

使用MOSFET（V₃）的开关电路如图8-4所示。VD_Z4、VD_Z5分别采用28V、15V稳压管。当输入电压超过28V时VD_Z4被反向击穿，使V₃导通，将电源开启。当输入电压超过43V时VD_Z5也被反向击穿，能限制V₃的栅-源电压，起到保护作用。R₁₅能防止V₃被误导通。

该以太网电源识别电压的范围是2.5～10V。其输入电流等级为“0”类，输入电压等级范围是15～20V。

DC/DC电源变换器采用DPA424P型单片开关式稳压器，构成正激、隔离式、3路输出的DC/DC电源变换器。直流输入电压范围是36～75V，3路输出分别为5V/2.4A、7.5V/0.4A和20V/10mA，总输出功率为15.2W。开关频率为400kHz。由于采用电容耦合式同步(www.xing528.com)

图8-3 15W以太网电源的电路

整流技术，因此DC/DC电源变换器的效率高达88%。

输入端EMI滤波器由C₁、L₁和C₂构成。R₁为欠电压值/过电压值设定电阻，所设定的U_UV=33.3V，U_OV=86.0V。R₁还能自动减小最大占空比，防止磁饱和。R₂为极限电流设定电阻，取R₂=13.3kΩ时，所设定的漏极极限电流I′_LIMIT=0.57I_LIMIT=0.57×2.50A=1.425A。稳压管VD_Z2可将漏极电压钳位在安全范围以内。V₁的等效栅极电容能给高频变压器提供最佳复位。

图8-4 使用MOSFET（V₃）的开关电路

该电源以5V输出作为主输出，其他两路输出都是在此基础上获得的。由C₁₁、R₁₁、R₁₂和MOS场效应晶体管V₂、V₁构成5V主输出的电容耦合式同步整流器。稳压管VD_Z3起钳位作用。在没有开关信号时，通过下拉电阻R₁₃使V₂关断。储能电感L₂回扫绕组的电压经过VD₄和C₉整流滤波后，获得20V输出。高频变压器二次绕组的电压经过VD₃和C₁₀整流滤波后获得7.5V输出。将6.8V稳压管VD_Z4和二极管VD₇反极性串联后作为7.5V输出的负载电阻，以改善空载稳压特性。空载时输出电压一旦超过7.5V，VD_Z4就被反向击穿，利用VD_Z4和VD₂上的压降可将输出电压钳制在大约7.5V上。正常工作时，辅助绕组的输出电压经过VD₆、C₅整流滤波后给光耦合器PC357提供12～15V的偏压。R₅、VD₈和C₁₆组成软启动电路，能防止在启动过程中输出过冲。

设计要点：

（1）高频变压器采用PTS14/8型铁氧体磁心，配8脚骨架。一次绕组用ϕ0.35mm漆包线分两层各绕8匝、7匝；将二次绕组夹在这两层中间，其中5V绕组用4股ϕ0.33mm漆包线绕4匝，7.5V绕组用4股ϕ0.33mm漆包线绕2匝。一次侧电感量L_P=434μH（允许有±25%的误差），其最大漏感量L_P0=1μH。高频变压器的谐振频率不低于3.8MHz。储能电感L₂的辅助绕组用ϕ0.16mm漆包线绕26匝，5V输出的扼流圈用两股ϕ0.33mm漆包线绕6匝，7.5V输出的扼流圈用ϕ0.33mm漆包线绕12匝，20V输出的扼流圈用ϕ0.16mm漆包线绕40匝。

（2）采用双极型功率开关管（VT）时，推荐采用Fairchild公司生产的TIP29C型双极型中功率开关管。其主要参数如下：集电极-基极击穿电压U_（BR）CBO=100V，集电极-发射极击穿电压U_（BR）CEO=100V，发射极-基极击穿电压U_（BR）EBO=5V，基极最大允许电流I_BM=0.4A，集电极最大允许电流I_CM=1A，集电极最大功耗P_CM=30W，共发射极电流放大倍数h_FE=75倍，截止频率f_T=3.0MHz。

（3）采用功率MOSFET（V₃）时推荐采用Philips公司生产的IRF530N型N沟道功率MOSFET。其主要参数如下：漏-源极击穿电压U_（BR）DS=100V，栅极开启电压U_GS（th）=3V，最大栅-源电压U_GS（max）=±20V，最大漏极电压I_DM=17A，最大漏极功耗P_DM=79W，漏-源通态电阻R_DS（ON）=80mΩ，跨导g=11S。导通时间t_ON=36ns，关断时间t_OFF=12ns。