كيفية تحسين تصميم المحول لإمداد الطاقة بتقنية PoE

كيفية تحسين تصميم المحول لإمداد الطاقة بتقنية PoE

·

تقنية التغذية عبر الإيثرنت (Power over Ethernet) - تشير هذه التقنية إلى طريقة نقل الطاقة من جهاز تزويد الطاقة (PSE) إلى جهاز الطاقة (PD) عبر كابلات الشبكة. في التطبيقات النموذجية، على سبيل المثال، يُستخدم محول PSE كمركز رئيسي، ويتم توصيل العديد من أجهزة الطاقة (PD) مثل نقاط الوصول وهواتف IP وكاميرات IP عبر كابلات الشبكة، حيث يقوم جهاز PSE بنقل الإشارة والطاقة إلى أجهزة الطاقة (PD).

يتميز مصدر الطاقة بتقنية PoE بالمزايا التالية:

• سهولة التركيب والتوسيع: يتم نقل الإشارة والطاقة عبر كابلات الشبكة، ولا يلزم وجود واجهة طاقة حول جهاز PD

• الإدارة عن بُعد: يقوم جهاز PSE واحد بتزويد أجهزة PD متعددة بالطاقة لإدارة الطاقة عن بُعد

• انخفاض التكلفة: يتم دمج خط الإشارة وخط الطاقة في خط واحد، مما يلغي الحاجة إلى كابل طاقة منفصل، وبالتالي لا يقتصر دور كابل الشبكة على نقل الإشارة فحسب، بل يشمل أيضًا نقل الطاقة، مما يقلل من تكلفة التمديدات.

• توافق جيد: يضمن بروتوكول PoE الموحد توافق أجهزة PD مع أي مزود طاقة عبر الإيثرنت على نطاق عالمي

من حيث بنية الدائرة، يقوم مصدر الطاقة (PSE) على اليسار بتزويد جهاز توزيع الطاقة (PD) بتيار مستمر يتراوح بين 44 و57 فولت، بينما يقوم جهاز توزيع الطاقة (PD) على اليمين بتحويل مصدر الطاقة إلى التيار الكهربائي المطلوب باستخدام دائرة خافضة للجهد. يتم توصيل مصدر الطاقة (PSE) وجهاز توزيع الطاقة (PD) عبر منفذ RJ45 وكابل مزدوج مجدول بطول 100 متر.

وفقًا لسيناريوهات استخدام الطاقة المختلفة، أصدرت IEEE معايير إمداد الطاقة لشبكات الإيثرنت IEEE 802.3AF وIEEE 802.3AT وIEEE 802.3BT. وقد صدر معيار IEEE 802.3BT تحديدًا في عام 2019، والذي حسّن بشكل كبير من كفاءة إمداد الطاقة عبر الإيثرنت (PoE). يوفر جهاز إمداد الطاقة (PSE) طاقة 90 واط، بينما يستقبل جهاز الإمداد (PD) طاقة 71 واط بعد مدّ كابل الشبكة لمسافة 100 متر. يُستخدم مستوى الطاقة من الفئة 8 بشكل أساسي في أنظمة إمداد الطاقة لمحطات البث الصغيرة. إضافةً إلى ذلك، يتوافق معيار 802.3BT مع معياري 802.3AF و802.3AT. عند توصيل جهاز الإمداد 802.3BT بجهاز إمداد الطاقة 802.3AF أو 802.3AT منخفض الطاقة، سيعمل الجهاز في وضع الطاقة المنخفضة، أي في وضع "التدهور".

في هذه العملية، يتم توصيل جهاز PD ذي القدرة المنخفضة بمصدر طاقة PSE ذي القدرة العالية، دون حدوث أي ضرر للجهاز. وتتم عملية المصافحة التالية بشكل أساسي عندما يقوم مصدر الطاقة PSE بتزويد جهاز PD بالطاقة:

بنية تطبيق إمداد الطاقة

تتضمن محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر أنظمة معزولة وغير معزولة. بالنسبة لإمدادات الطاقة المعزولة بتقنية PoE، تُقسم إلى نوعين: التغذية الأمامية والتغذية العكسية، بما في ذلك PSR (التغذية الراجعة من الجانب الابتدائي) وSSR (التغذية الراجعة من الجانب الثانوي). يتم تحليل الأنظمة التالية:

في تصميم الدوائر الكهربائية لمعدات التفريغ الجزئي، تُؤخذ ثلاثة معايير رئيسية في الاعتبار: الحجم، والكفاءة، والتوافق الكهرومغناطيسي. فكيف يمكن الربط بين متطلبات معدات التفريغ الجزئي ومتطلبات تصميم المحولات؟

تحسين الحجم

• نقطة التصميم 1: محول ذو حجم صغير لتقليل الترددات العالية

في لوحة الدوائر، يُلاحظ أن المحول يشغل حيزًا كبيرًا، لذا فإن تقليل حجمه يُساهم في تقليل حجم اللوحة. كما أن الترددات العالية تُقلل من حجم المحول وكفاءة نقل الطاقة، لذا فإن الترددات من 200 كيلوهرتز إلى 300 كيلوهرتز ثم إلى 500 كيلوهرتز تُقلل من حجم المحول.

• نقطة التصميم الثانية: يقلل وضع التشغيل CCM من حجم الجهاز

• نقطة التصميم 3: ردود الفعل الجانبية الأصلية لتقليل الحجم

زيادة الكفاءة

يقيس التوافق الكهرومغناطيسي التداخل الناتج عن مصادر الضوضاء في الأجهزة الحساسة، بما في ذلك مكونات التوصيل والإشعاع. من جهة، يجب تقليل مصادر التداخل، ومن جهة أخرى، يجب تحسين مسارات الاقتران.

لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي، يجب أولاً تحديد مصدر الضوضاء في الدائرة. يمكن تقسيم مصادر الضوضاء إلى ضوضاء توصيلية وضوضاء إشعاعية. الضوضاء التوصيلية هي عادةً ضوضاء منخفضة التردد ضمن نطاق 30 ميجاهرتز، وتنتج عن تغير المجال الكهربائي. تتمثل هذه الضوضاء بشكل أساسي في أن عملية تبديل صمام الطاقة تؤدي إلى تغير مفاجئ في جهد مصدر ترانزستور MOS، مما يتسبب في نقل هذا التغير إلى الجانب الثانوي للمحول. يمكن تقليل سرعة التبديل عن طريق تحسين مقاومة تشغيل ترانزستور MOS، ولكن ذلك يزيد من فقد الطاقة. أو يمكن إضافة دوائر امتصاص لتقليل التذبذبات عالية التردد. تؤثر معلمات التسرب في المحول بشكل كبير على التداخل الكهرومغناطيسي، فعلى سبيل المثال، تؤثر سعة المكثف (Cp) للمحول (المجال الكهربائي للملف الابتدائي) على ارتفاعات الجهد وتموج التيار.

مصدر الضوضاء المشعة هو الضوضاء التي تزيد تردداتها عن 30 ميجاهرتز، وهي ناتجة عن تداخل المجال المغناطيسي الفضائي. ويتكون هذا المصدر من حلقة تيار عالية التردد، والتي تشمل حلقة التيار الابتدائي وحلقة التيار الثانوي للمحول.