Comment optimiser la conception d'un transformateur pour une alimentation PoE

Comment optimiser la conception d'un transformateur pour une alimentation PoE

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L'alimentation par Ethernet (PoE) permet à un équipement d'alimentation (PSE) de transmettre de l'énergie à un périphérique (PD) via des câbles réseau. Dans une application typique, un commutateur PSE sert de cœur au réseau. Il connecte alors plusieurs périphériques PD, tels que des points d'accès, des téléphones IP et des caméras IP, via des câbles réseau, et assure la transmission du signal et de l'alimentation aux périphériques PD.

L'alimentation PoE présente les avantages suivants :

• Installation et extension faciles : le signal et l’alimentation sont transmis par des câbles réseau, et aucune interface d’alimentation n’est requise autour du dispositif PD.

• Gestion à distance : un seul dispositif PSE alimente plusieurs dispositifs PD pour la gestion de l’alimentation à distance

• Faible coût : la ligne de signal et la ligne d'alimentation sont intégrées en une seule, éliminant ainsi le besoin d'un câble d'alimentation supplémentaire. Le câble réseau assure donc non seulement la transmission du signal, mais aussi l'alimentation électrique, ce qui réduit les coûts de câblage.

• Bonne compatibilité : le protocole PoE unifié garantit la compatibilité des périphériques PD avec n'importe quel PSE à l'échelle mondiale.

En termes d'architecture de circuit, le PSE (à gauche) transmet une tension continue de 44 à 57 V au PD (à droite), tandis que ce dernier convertit cette tension en courant électrique requis grâce à un circuit abaisseur. Le PSE et le PD sont connectés par un port RJ45 et un câble à paires torsadées de 100 m.

Selon les différents scénarios d'application, l'IEEE publie les normes d'alimentation Ethernet IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT et IEEE 802.3BT. La norme IEEE 802.3BT, publiée en 2019, améliore considérablement la puissance de l'alimentation PoE. Le PSE fournit 90 W et le PD reçoit 71 W après 100 mètres de câble réseau. Ce niveau de puissance de classe 8 est principalement utilisé dans les systèmes d'alimentation des petites stations de base. De plus, la norme 802.3BT est rétrocompatible avec les normes 802.3AF et 802.3AT. Lorsqu'un PD 802.3BT est connecté à un PSE 802.3AF ou 802.3AT basse consommation, il fonctionne en mode basse consommation, c'est-à-dire en mode dégradé.

Dans ce processus, un périphérique dédié (PD) de faible puissance est connecté à un équipement de commutation (PSE) de puissance supérieure, sans que le périphérique ne soit endommagé. Le processus d'établissement de liaison suivant se produit principalement lorsque le PSE alimente le PD :

Architecture d'application d'alimentation électrique

Les convertisseurs DC/DC existent en versions isolées et non isolées. Pour l'alimentation PoE isolée, on distingue les topologies directes et flyback, incluant les circuits PSR (rétroaction primaire) et SSR (rétroaction secondaire). Les topologies suivantes sont analysées :

Dans l'architecture des circuits des équipements de protection contre les décharges partielles, trois paramètres sont principalement à prendre en compte : la taille, le rendement et la compatibilité électromagnétique. Comment concilier les exigences des équipements de protection contre les décharges partielles et celles de la conception des transformateurs ?

Optimiser la taille

• Point de conception 1 : transformateur à réduction de fréquence haute et dimensions réduites

Sur une carte de circuit imprimé, le transformateur occupe un volume important ; réduire sa taille permet donc de diminuer celle de la carte. Les hautes fréquences permettent de réduire la taille du transformateur et la puissance transmissible ; ainsi, une fréquence de 200 kHz à 300 kHz puis à 500 kHz permet de réduire le volume du transformateur.

• Point de conception 2 : Le mode de fonctionnement CCM réduit la taille du dispositif

• Point de conception 3 : Retour latéral d’origine pour réduire la taille

Accroître l'efficacité

La CEM (compatibilité électromagnétique) mesure les interférences causées par les sources de bruit sur les dispositifs sensibles, notamment les composants de conduction et de rayonnement. Il convient d'une part de réduire les sources d'interférences et d'autre part d'optimiser les voies de couplage.

Afin de réduire les interférences électromagnétiques (IEM), il convient d'identifier au préalable la source de bruit dans le circuit. Cette source peut être classée en deux catégories : le bruit de conduction et le bruit de rayonnement. Le bruit de conduction correspond généralement à un bruit basse fréquence (inférieur à 30 MHz) généré par les variations du champ électrique. Il provient principalement de la commutation du transistor de puissance, qui induit une variation de la tension de source du transistor MOS. Cette variation est ensuite transmise au secondaire du transformateur. Augmenter la résistance de commande du transistor MOS permet de réduire la vitesse de commutation, mais au prix d'une augmentation des pertes. L'ajout de circuits d'absorption permet quant à lui de réduire les oscillations haute fréquence. Les paramètres parasites du transformateur ont une influence considérable sur les IEM ; par exemple, la capacité Cp (champ électrique de l'enroulement primaire) du transformateur affecte les pics de tension et l'ondulation du courant.

La source de bruit rayonné est le bruit au-dessus de 30 m, qui résulte des interférences du champ magnétique spatial. Il est constitué d'une boucle de courant haute fréquence. Cette boucle haute fréquence désigne la boucle primaire et la boucle secondaire du transformateur.