Wie man das Transformator-Design für PoE-Netzteile optimiert

Wie man das Transformator-Design für PoE-Netzteile optimiert

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Power over Ethernet (PoE) – Diese Technologie ermöglicht es Stromversorgungsgeräten (Power-over-Ethernet, PSE), Strom über Netzwerkkabel an Endgeräte (Power-to-Ethernet, PD) zu übertragen. Typische Anwendungen nutzen beispielsweise einen PSE-Switch als Kernkomponente, an den zahlreiche Endgeräte wie Access Points, IP-Telefone und IP-Kameras über Netzwerkkabel angeschlossen sind. Der PSE übernimmt dann die Signal- und Stromübertragung an die Endgeräte.

Das PoE-Netzteil bietet folgende Vorteile:

• Einfache Installation und Erweiterung: Signal und Strom werden über Netzwerkkabel übertragen, eine Stromversorgungsschnittstelle am PD-Gerät ist nicht erforderlich.

• Fernverwaltung: EIN PSE-Gerät versorgt mehrere PD-Geräte mit Strom für die Fernverwaltung der Stromversorgung.

• Geringe Kosten: Signal- und Stromleitung sind in einem Kabel integriert, wodurch ein separates Stromkabel entfällt. Das Netzwerkkabel dient somit nicht nur der Signalübertragung, sondern auch der Stromübertragung, was die Verkabelungskosten reduziert.

• Gute Kompatibilität: Das einheitliche PoE-Protokoll gewährleistet die Kompatibilität von PD-Geräten mit jedem PSE weltweit.

Die Schaltungsarchitektur sieht folgendermaßen aus: PSE (links) überträgt Gleichspannung von 44–57 V an PD, während PD (rechts) die Versorgungsspannung mittels eines Abwärtswandlers auf die benötigte Spannung umwandelt. PSE und PD sind über einen RJ45-Anschluss und ein 100 m langes verdrilltes Adernpaar verbunden.

Je nach Anwendungsszenario veröffentlicht das IEEE die Ethernet-Stromversorgungsstandards IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT und IEEE 802.3BT. Insbesondere der 2019 eingeführte Standard IEEE 802.3BT verbessert die Leistung von PoE-Stromversorgungen deutlich. Das PSE liefert 90 W, und das PD empfängt nach 100 Metern Netzwerkkabel 71 W. Diese Leistungsklasse 8 wird hauptsächlich in der Stromversorgung kleiner Basisstationen eingesetzt. Darüber hinaus sind die 802.3BT-Standards abwärtskompatibel zu den Standards 802.3AF und 802.3AT. Wird ein 802.3BT-PD an ein 802.3AF- oder 802.3AT-PSE mit geringer Leistung angeschlossen, arbeitet es im Energiesparmodus („degradiert“).

Dabei wird die PD mit geringerer Leistung mit der PSE mit höherer Leistung verbunden, ohne dass das Gerät beschädigt wird. Der folgende Handshake-Prozess findet hauptsächlich statt, wenn die PSE die PD mit Strom versorgt:

Anwendungsarchitektur für Stromversorgungen

DC/DC-Wandler gibt es in isolierten und nicht-isolierten Ausführungen. Isolierte PoE-Netzteile werden in Vorwärts- und Sperrwandlertopologien unterteilt, darunter PSR (primärseitige Rückkopplung) und SSR (sekundärseitige Rückkopplung). Die folgenden Topologien werden analysiert:

Bei der Schaltungsarchitektur von Teilentladungsgeräten sind im Wesentlichen drei Parameter relevant: Größe, Wirkungsgrad und EMV. Wie lassen sich also die Anforderungen an Teilentladungsgeräte und die Anforderungen an die Transformatorenkonstruktion miteinander verbinden?

Optimieren Sie die Größe

• Konstruktionspunkt 1: Reduzierung der Hochfrequenzleistung des Transformators durch geringe Größe

Auf einer Leiterplatte ist der Transformator der volumenstärkste Bestandteil. Durch die Verkleinerung des Transformators lässt sich die Leiterplattengröße reduzieren. Höhere Frequenzen ermöglichen eine Verringerung der Transformatorgröße und der übertragenen Leistung. So kann beispielsweise durch Frequenzerhöhungen von 200 kHz über 300 kHz auf 500 kHz das Transformatorvolumen verringert werden.

• Designpunkt 2: Der CCM-Betriebsmodus reduziert die Gerätegröße

• Designpunkt 3: Originales seitliches Feedback zur Größenreduzierung

Effizienz steigern

EMV misst die Störungen, die durch Rauschquellen auf empfindliche Geräte, einschließlich leitender und abstrahlender Komponenten, verursacht werden. Einerseits sollten Störquellen reduziert und andererseits Kopplungswege optimiert werden.

Um elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren, muss zunächst die Störquelle im Schaltkreis identifiziert werden. Diese lässt sich in leitungsgebundene und abgestrahlte Störquellen unterteilen. Leitungsgebundene Störquellen sind im Allgemeinen niederfrequente Störungen im Bereich unter 30 MHz, die durch Änderungen des elektrischen Feldes entstehen. Sie entstehen hauptsächlich dadurch, dass das Schalten der Leistungstransistoren zu Spannungsänderungen am Source-Pegel der MOSFETs führt. Diese Spannungsänderungen werden vom Transformator auf die Sekundärseite übertragen. Eine Erhöhung des Treiberwiderstands der MOSFETs kann die Schaltgeschwindigkeit verringern, erhöht jedoch die Treiberverluste. Alternativ können Absorptionsschaltungen eingesetzt werden, um hochfrequente Schwingungen zu reduzieren. Die Streuparameter des Transformators haben einen großen Einfluss auf die EMI. Beispielsweise beeinflusst die Primärwicklungs-Feldstärke (Cp) des Transformators Spannungsspitzen und Stromwelligkeit.

Die abgestrahlte Störquelle ist das Rauschen oberhalb von 30 m, das durch Störungen des Weltraummagnetfelds verursacht wird. Sie besteht aus hochfrequenten Stromkreisen. Diese hochfrequenten Kreise umfassen die Primär- und Sekundärkreise des Transformators.