Come ottimizzare la progettazione del trasformatore per alimentatori PoE

Come ottimizzare la progettazione del trasformatore per alimentatori PoE

·

Power over Ethernet (PoE) - La tecnologia di alimentazione si riferisce a un metodo che consente alle apparecchiature di alimentazione (PSE, Power Source Equipment) di trasmettere energia ai dispositivi di alimentazione (PD, Power Device) tramite cavi di rete. Le applicazioni tipiche, ad esempio, utilizzano uno switch PSE come fulcro, collegano numerosi dispositivi di alimentazione come punti di accesso, telefoni IP e telecamere IP tramite cavi di rete, e il PSE si occupa della trasmissione del segnale e dell'alimentazione ai dispositivi di alimentazione.

L'alimentatore PoE offre i seguenti vantaggi:

• Installazione ed espansione semplici: il segnale e l'alimentazione vengono trasmessi tramite cavi di rete e non è necessaria alcuna interfaccia di alimentazione in prossimità del dispositivo PD.

• Gestione remota: un dispositivo PSE fornisce alimentazione a più dispositivi PD per la gestione remota dell'alimentazione.

• Basso costo: la linea di segnale e la linea di alimentazione sono integrate in un unico cavo, eliminando la necessità di un cavo di alimentazione separato; pertanto, il cavo di rete non solo trasporta il segnale, ma svolge anche la funzione di trasmissione dell'energia, riducendo così i costi di cablaggio.

• Ottima compatibilità: il protocollo PoE unificato garantisce la compatibilità dei dispositivi PD con qualsiasi PSE a livello globale.

In termini di architettura del circuito, PSE a sinistra trasmette una tensione continua di 44-57 V a PD, mentre PD a destra converte l'alimentazione nella tensione elettrica richiesta tramite un circuito di riduzione. PSE e PD sono collegati tramite una porta RJ45 e un cavo a doppino intrecciato da 100 m.

A seconda dei diversi scenari di applicazione dell'alimentazione, l'IEEE ha pubblicato gli standard di alimentazione Ethernet IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT e IEEE 802.3BT. In particolare, lo standard IEEE 802.3BT, rilasciato nel 2019, migliora notevolmente la potenza dell'alimentazione PoE. Il PSE fornisce 90 W di potenza e il PD riceve 71 W dopo 100 metri di cavo di rete. Questo livello di potenza di classe 8 è utilizzato principalmente nei sistemi di alimentazione delle piccole stazioni base. Inoltre, gli standard 802.3BT sono retrocompatibili con gli standard 802.3AF e 802.3AT. Quando un PD 802.3BT è collegato a un PSE 802.3AF o 802.3AT a bassa potenza, funzionerà in modalità a basso consumo, ovvero in modalità "degradata".

In questo processo, il PD con potenza inferiore viene collegato al PSE con potenza superiore e il dispositivo non subisce danni. Il seguente processo di handshake si verifica principalmente quando il PSE alimenta il PD:

Architettura applicativa dell'alimentatore

I convertitori DC/DC presentano schemi isolati e non isolati. Per gli alimentatori POE isolati, si distinguono topologie forward e flyback, che includono PSR (primary side feedback) e SSR (secondary side feedback). Vengono analizzate le seguenti topologie:

Nell'architettura circuitale delle apparecchiature per la protezione dalle scariche parziali (PD), tre parametri sono di primaria importanza: dimensioni, efficienza e compatibilità elettromagnetica (EMC). Come si conciliano quindi i requisiti delle apparecchiature PD con i requisiti di progettazione dei trasformatori?

Ottimizza le dimensioni

• Punto di progettazione 1: trasformatore di riduzione ad alta frequenza di piccole dimensioni

In un circuito stampato, la parte più voluminosa è il trasformatore, quindi ridurne le dimensioni permette di risparmiare spazio sul circuito stampato. L'alta frequenza consente di ridurre le dimensioni del trasformatore e la potenza trasmessa, quindi passando da una frequenza di 200 kHz a 300 kHz e poi a 500 kHz è possibile ridurre il volume del trasformatore.

• Punto di progettazione 2: la modalità operativa CCM riduce le dimensioni del dispositivo

• Punto di progettazione 3: Feedback laterale originale per ridurre le dimensioni

Aumentare l'efficienza

La compatibilità elettromagnetica (EMC) misura le interferenze causate da sorgenti di rumore su dispositivi sensibili, inclusi i componenti di conduzione e di radiazione. Da un lato, è necessario ridurre le sorgenti di interferenza e, dall'altro, ottimizzare i percorsi di accoppiamento.

Per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI), è necessario innanzitutto identificare la sorgente di rumore nel circuito. Le sorgenti di rumore possono essere suddivise in rumore di conduzione e rumore di radiazione. Il rumore di conduzione è generalmente un rumore a bassa frequenza entro i 30 MHz, prodotto dalla variazione del campo elettrico. Il rumore di conduzione è principalmente dovuto al fatto che l'azione di commutazione del transistor di potenza provoca una variazione della tensione di livello del source del MOS, che a sua volta induce il trasformatore a trasferire tale variazione di tensione al lato secondario. Migliorare la resistenza di pilotaggio del MOS può ridurre la velocità di commutazione, ma aumenterà le perdite di pilotaggio. In alternativa, è possibile aggiungere circuiti di assorbimento per ridurre le oscillazioni ad alta frequenza. I parametri parassiti del trasformatore hanno una grande influenza sulle EMI; ad esempio, la capacità Cp (campo elettrico dell'avvolgimento primario) del trasformatore influenza i picchi di tensione e l'ondulazione della corrente.

La sorgente di rumore irradiato è il rumore al di sopra dei 30 MHz, che è l'interferenza del campo magnetico spaziale. È composta dalla spira di corrente ad alta frequenza. La spira ad alta frequenza si riferisce alla spira sul lato primario e alla spira sul lato secondario del trasformatore.