Cómo optimizar el diseño del transformador para una fuente de alimentación PoE

Cómo optimizar el diseño del transformador para una fuente de alimentación PoE

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Alimentación a través de Ethernet (Power over Ethernet): esta tecnología permite que los equipos de alimentación (PSE) transmitan energía a los dispositivos de alimentación (PD) mediante cables de red. En aplicaciones típicas, por ejemplo, se utiliza un conmutador PSE como núcleo, que conecta numerosos dispositivos PD, como puntos de acceso, teléfonos IP y cámaras IP, a través de cables de red. El PSE se encarga de la transmisión de señal y energía a los dispositivos PD.

La fuente de alimentación PoE presenta las siguientes ventajas:

• Fácil instalación y expansión: La señal y la alimentación se transmiten a través de cables de red, y no se requiere ninguna interfaz de alimentación alrededor del dispositivo PD.

• Gestión remota: UN dispositivo PSE suministra energía a varios dispositivos PD para la gestión remota de la energía.

• Bajo costo: la línea de señal y la línea de alimentación están integradas en una sola, eliminando el cable de alimentación, por lo que el cable de red no solo transmite la señal, sino que también transmite la energía, reduciendo así el costo del cableado.

• Buena compatibilidad: el protocolo PoE unificado garantiza que los dispositivos PD sean compatibles con cualquier PSE a nivel mundial.

En cuanto a la arquitectura del circuito, el PSE (unidad de alimentación principal) de la izquierda transmite una tensión continua de 44-57 V al PD (unidad de fotodiodo), mientras que el PD (unidad de fotodiodo) de la derecha convierte la alimentación al voltaje requerido mediante un circuito reductor. El PSE y el PD están conectados a través de un puerto RJ45 y un cable de par trenzado de 100 m.

Según los distintos escenarios de aplicación de alimentación, IEEE publica los estándares de alimentación Ethernet IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT e IEEE 802.3BT. En particular, el estándar IEEE 802.3BT, publicado en 2019, mejora significativamente la potencia de la alimentación PoE. El PSE proporciona 90 W de potencia y el PD recibe 71 W tras 100 metros de cable de red. Este nivel de potencia de clase 8 se aplica principalmente en el sistema de alimentación de pequeñas estaciones base. Además, el estándar 802.3BT es compatible con versiones anteriores de los estándares 802.3AF y 802.3AT. Cuando el PD 802.3BT se conecta a un PSE de baja potencia 802.3AF o 802.3AT, funcionará en estado de baja potencia, es decir, en estado "degradado".

En este proceso, el dispositivo PD con menor potencia se conecta al PSE con mayor potencia, y no se produce ningún daño en el dispositivo. El siguiente proceso de intercambio de información se produce principalmente cuando el PSE suministra energía al PD:

Arquitectura de aplicación de fuente de alimentación

La conversión CC/CC cuenta con esquemas aislados y no aislados. Para la alimentación PoE aislada, se divide en topologías forward y flyback, incluyendo PSR (retroalimentación del lado primario) y SSR (retroalimentación del lado secundario). Se analizan las siguientes topologías:

En la arquitectura de circuitos de los equipos de protección contra descargas parciales (PD), se consideran principalmente tres parámetros: tamaño, eficiencia y compatibilidad electromagnética (EMC). Entonces, ¿cómo se relacionan los requisitos de los equipos PD con los requisitos de diseño de los transformadores?

Optimizar el tamaño

• Punto de diseño 1: reducción de alta frecuencia del transformador, tamaño reducido

En una placa de circuito impreso, se observa que el transformador ocupa un gran volumen, por lo que reducir su tamaño permite ahorrar espacio en la placa. El uso de altas frecuencias reduce el tamaño del transformador y la potencia que transmite; por ejemplo, frecuencias de 200 kHz a 300 kHz y luego a 500 kHz permiten reducir el volumen del transformador.

• Punto de diseño 2: El modo de funcionamiento CCM reduce el tamaño del dispositivo.

• Punto de diseño 3: Retroalimentación lateral original para reducir el tamaño

Aumentar la eficiencia

La compatibilidad electromagnética (CEM) mide la interferencia causada por fuentes de ruido en dispositivos sensibles, incluidos los componentes de conducción y radiación. Por un lado, se deben reducir las fuentes de interferencia y, por otro, optimizar las rutas de acoplamiento.

Para reducir la interferencia electromagnética (EMI), primero se debe confirmar la fuente de ruido en el circuito. Esta fuente se puede dividir en ruido de conducción y ruido de radiación. El ruido de conducción generalmente es el ruido de baja frecuencia dentro de 30 MHz, producido por el cambio del campo eléctrico. Este ruido se debe principalmente a que la acción de conmutación del transistor de potencia provoca una variación en la tensión de nivel de fuente del transistor MOS, lo que hace que el transformador transfiera dicha variación de tensión al lado secundario. Mejorar la resistencia de conducción del transistor MOS puede reducir la velocidad de conmutación, pero aumentará la pérdida de conducción. También se pueden agregar circuitos de absorción para reducir las oscilaciones de alta frecuencia. Los parámetros parásitos del transformador tienen una gran influencia en la EMI; por ejemplo, el campo eléctrico del devanado primario (Cp) del transformador afecta los picos de tensión y la ondulación de corriente.

La fuente de ruido radiado es el ruido por encima de 30 m, que corresponde a la interferencia del campo magnético espacial. Está compuesto por el bucle de corriente de alta frecuencia. El bucle de alta frecuencia se refiere al bucle del lado primario y al bucle del lado secundario del transformador.