Стандарты IEEE для технологии передачи высокого напряжения по сети Ethernet (HPoE) находятся на стадии утверждения, но большинство разработчиков ожидает, что напряжение источника постоянного тока составит 53 В, пороговый ток от каждой линии — порядка 750 мА, а общее сопротивление кабеля — 12,5 Ом. В самом худшем случае эти параметры соответственно будут 46 В (48 В — номинальное значение), 720 мА и 12,5 Ом. При токе 720 мА падение напряжения на кабеле составляет 9 В, за вычетом которого выходное напряжение кабеля равно 37 В. В этом случае мощность на выходе кабеля будет около 26,6 Вт. Выходная мощность типичного силового каскада, питающегося от этого выхода, чуть больше 20 Вт. К сожалению, ее недостаточно для работы некоторых приложений. Одно из решений данной проблемы состоит в использовании нескольких Ethernet-сетей, но с этой топологией связаны трудности в обеспечении общего питания. В статье описывается решение данной задачи.
Стандартные HPoE-интерфейсы состоят из мостового выпрямителя с защитой от неправильной полярности подключения, блока горячей замены с интерфейсом РоЕ, а также отдельного преобразователя с регулируемыми выходными напряжениями. Предпочтительно, чтобы они не зависели от нагрузки и имели хорошую переходную характеристику. В типичной разработке используется изолированная обратная связь для генерации одного постоянного напряжения, стандартное значение которого — 5 В. Затем оно преобразуется в напряжение с несколькими значениями для того или иного приложения. В некоторых случаях делается несколько выводов из контура обратной связи, но тогда стабилизация в значительной степени зависит от нагрузки. В любом случае потери в мостовом выпрямителе и преобразователях приводят к невысокой эффективности. Кроме того, использование изолированной обратной связи становится причиной плохой переходной характеристики. С другой стороны, преимущество технологии HPoE заключается в том, что с ее помощью можно получить максимальную передаваемую мощность при минимальном числе Ethernet-линий без потери эффективности.
Эта возможность реализуется в примере ниже, где используются оба HPoE-интерфейса и силовые преобразователи, позволяющие на несколько процентов поднять эффективность и добиться хорошей переходной характеристики. На рисунке 1 изображен один из двух HPoE-интерфейсов в сдвоенной 47-Вт цепи Ethernet. Два n-канальных и два p-канальных полевых МОП-транзистора составляют мостовые выпрямители. Каждый полевой МОП-транзистор шунтируется 150-кОм резистором со стороны входной линии противоположной полярности. Затворы защищены слаботочными стабилитронами (испытательный ток составляет 50 мкА).
Включаются только два полевых МОП-транзистора с соответствующей полярностью. Сток-истоковые диоды в МОП-транзисторах играют роль мостового выпрямителя до тех пор, пока цепь не зарядит затвор МОП-транзистора через 150-кОм резисторы. Встроенный HPoE-интерфейс несколько упрощает схему, обеспечивая все необходимое сопряжение, а также горячую замену.
На рисунке 2 изображен один из двух DC/DC-преобразователей. Ведущий преобразователь с защитой «защелкиванием» от максимально допустимого тока, использующий контроллер LM5025, обеспечивает достаточно высокую эффективность и исключает необходимость в изолированной обратной связи. LM5025 генерирует пилообразный сигнал на конденсаторе С4, который, в свою очередь, контролирует коэффициент заполнения. Его произведение на входное напряжение дает почти постоянное выходное напряжение. К счастью, конденсаторы с погрешностью в 1% стоят всего несколько пенни и обеспечивают хорошую стабилизацию без цепи обратной связи.
Для измерения тока не требуются компоненты, поэтому исключаются любые потери, связанные с этими элементами. Основная токоограничивающая цепь в блоке горячей замены перед ведущим преобразователем и ограничение тока в последующих регуляторах на выходе упрощают схему, одновременно обеспечивая соответствующую защиту. Ток, потребляемый контроллером LM5025, составляет всего лишь 10 мА, поэтому требуется большая индуктивность, чтобы предотвратить пиковую зарядку, т.к. выпрямители не работают синхронно. Однако из-за того, что ток очень мал, требуется индуктивность совсем небольшого размера. Ее сопротивление по постоянному току около 32 Ом. Линейный регулятор может питаться от высокого входного напряжения, но потеря мощности может оказаться существенной при той же примерно стоимости системы.
Трансформаторы являются стандартными устройствами с постоянным выходным напряжением 3,3 В, но величина стабилизации с прямой связью устанавливается равной 3,75 В. Конфигурация с последовательным включением обеспечивает постоянное выходное напряжение 7,5 В, одинаково приемлемое как для промежуточной шины понижающего, так и повышающего преобразователя. Наименьшее значение напряжения примерно на 12% выше номинальной величины для трансформатора; выходное значение легко устанавливается намного выше, что позволяет уменьшить ток при заданной мощности и сократить примерно на 25% потери в меди во вторичной обмотке трансформатора.
Полевые МОП-транзисторы синхронного выпрямителя выбирались из критерия оптимального соотношения сопротивления во включенном состоянии к паразитному заряду затвора. Включение МОП-транзистора замедляется резисторами R15 и R16, тогда как выключение производится мгновенно благодаря D3 и D4 (не следует пытаться решить эту задачу для данной цепи с помощью сигнальных диодов). Благодаря этим мерам синхронные выпрямители переключаются в оптимальное время. Демпфер необходим лишь для одной стороны (C18 и R12). Следует обратить самое пристальное внимание на активное сопротивление всех индуктивностей по постоянному току (DCR). Выходное сопротивление L3 составляет всего 4,2 мОм, однако даже эта величина приводит к потере мощности системы на 0,4%. В схеме немало индуктивностей, у которых сопротивление по постоянному току составляет от 12 до 16 мОм. Только через две катушки индуктивности во всей схеме проходит ток выше нескольких миллиампер. Одна из них номиналом в 3 мкГн, о которой только что шла речь. Вторая индуктивность — 4,7 мкГн, через которую всегда проходит ток менее 2 А. Ее сопротивление по постоянному току равно 9,5 мОм. Не следует пренебрегать малыми потерями мощности, не отслеживая этот параметр. Те же соображения справедливы и для электролитических конденсаторов. Рекомендуется использовать алюминиевые конденсаторы благодаря их чрезвычайно низкому значению эффективного последовательного сопротив-
ления (ESR).
Выходы этих двух преобразователей соединяются последовательно, обеспечивая общее питание. На рисунке 3 проиллюстрирована данная конфигурация. Тестирование схемы показало, что выходные напряжения равны 5 и 12 В, но при необходимости не составляет труда добавить еще выводы. Если эффективность каждого последующего регулятора одинаково высока, суммарная эффективность останется примерно той же, независимо от общего числа выводов.
На рисунке 4 показан типичный синхронный понижающий преобразователь, обеспечивающий выходное напряжение 5 В при токе 7 А. Полевые МОП-транзисторы этого преобразователя отвечают схожим требованиям, что и для синхронных выпрямителей с защитой «защелкиванием» от максимально допустимого тока, и потому используются в схеме. Токовое измерение осуществляется с помощью активного сопротивления катушки индуктивности.
На активном сопротивлении катушки индуктивности теряется мощность. Оно зависит от температуры медной обмотки. Резистор R49 и термистор RT1 обеспечивают температурную компенсацию. RT1 следует располагать как можно ближе к выходу катушки индуктивности. Необходимо так выполнить разводку этих элементов на печатной плате, чтобы термистор имел ту же температуру, что и обмотка катушки индуктивности. Используется та же индуктивность, что и для защиты «защелкиванием» от превышения максимального допустимого тока. Напряжение смещения поступает от 12-В регулятора для стабилизации Vcc, так как оно определяет рабочую частоту с помощью резистора R41. Внутренний регулятор можно легко настроить на выдачу 7,5 В или менее, а за ним включить диодное «ИЛИ» вместе с удвоителем напряжения, работающим от источника 5 В. Требуется, чтобы напряжение Vbias находилось в диапазоне 8…15 В.
На рисунке 5 показан несинхронный повышающий преобразователь, обеспечивающий выходное напряжение 12 В при токе в 1 А. Если его выход закорочен, выходное напряжение появится на входе цепи. В ней нет ключа для предотвращения этого явления. Иногда целесообразно использовать быстродействующий легкоплавкий предохранитель, как показано на рисунке, чтобы предотвратить возможность выхода устройства из строя.
Окончательный вариант схемы, обеспечивающей любое количество выходных напряжений, чрезвычайно эффективен и экономичен. При 37 В постоянного напряжения, подаваемого на вход цепи, ее эффективность на участке от Ethernet-разъема до выхода составляет 87,6%. Это гарантированно позволяет получить выходную мощность около 47 Вт. На практике силовые каскады обладают эффективностью менее 90%, несмотря на использование двух последовательных преобразующих каскадов. Контур изолированной обратной связи отсутствует в схеме, поэтому ее очень просто настроить, не заботясь об устойчивости его функционирования.
Как уже упоминалось, в этом конкретном примере используется промежуточная шина напряжением 7,5 В. В некоторых случаях желательно, чтобы оно было ниже. В данном примере последовательное соединение выходов в отдельных случаях может привести к слишком низким для оптимальной эффективности напряжениям питания. Тогда наилучшее решение заключается в параллельном соединении двух силовых каскадов. При таком подходе требуется организовать между шинами общее пользование активной мощностью. Нет необходимости ограничивать цепь двумя параллельными источниками тока. Теоретически не существует предела количеству Ethernet-линий, используемых для подачи питания. Одним из преимуществ параллельной конфигурации является возможность создания встроенных резервных линий, хотя и меньшей мощности, в том случае, если какая-либо линия вышла из строя.