PoE電源用のトランス設計を最適化する方法

PoE電源用のトランス設計を最適化する方法

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Power over Ethernet（PoE）とは、PSE（電力供給装置）がネットワークケーブルを介してPD（電力供給装置）に電力を供給する技術のことです。例えば、PSEスイッチをコアとして、アクセスポイント、IP電話、IPカメラなどの多数のPDデバイスをネットワークケーブルで接続し、PSEがPDへの信号と電力の伝送を完了する、といった典型的なアプリケーションが挙げられます。

PoE電源には以下の利点があります。

・設置と拡張が容易：信号と電力はネットワークケーブルを介して伝送され、PDデバイス周辺に電源インターフェースは不要です。

・リモート管理：1台のPSEデバイスが複数のPDデバイスに電力を供給し、リモートで電力管理を行います。

・低コスト：信号線と電源線が一体化されているため、電源ケーブルが不要となり、ネットワークケーブルは信号伝送だけでなく電力伝送の役割も担うため、配線コストが削減されます。

・優れた互換性：統一されたPoEプロトコルにより、PDデバイスは世界中のあらゆるPSEと互換性があります。

回路構成としては、左側のPSEがDC44～57VをPDに供給し、右側のPDが降圧回路を用いて必要な電力に変換する。PSEとPDはRJ45ポートと100mのツイストペアケーブルで接続されている。

電力供給のさまざまな適用シナリオに応じて、IEEE 802.3AF、IEEE 802.3AT、IEEE 802.3BT のイーサネット電源規格が IEEE によって発行されています。特に、IEEE 802.3BT 規格は 2019 年にリリースされ、PoE 電源の電力供給を大幅に向上させました。PSE は 90W の電力を供給し、PD は 100 メートルのネットワークケーブルを介して 71W を受け取ります。このクラス 8 の電力レベルは、主に小型基地局の電源供給システムに適用されます。さらに、802.3BT 規格は 802.3AF および 802.3AT 規格との下位互換性があります。802.3BT PD が低電力の 802.3AF および 802.3AT PSE に接続されると、低電力状態、つまり「劣化」した状態で動作します。

このプロセスでは、低電力のPDが高電力のPSEに接続され、デバイスに損傷は発生しません。PSEがPDに電力を供給する際に主に発生するハンドシェイクプロセスは以下のとおりです。

電源アプリケーションアーキテクチャ

DC/DCコンバータには、絶縁型と非絶縁型の2種類があります。絶縁型PoE電源の場合、フォワード型とフライバック型のトポロジーに分けられ、それぞれPSR（一次側フィードバック）とSSR（二次側フィードバック）が含まれます。以下のトポロジーについて分析します。

PD機器の回路構成において、主に考慮されるパラメータは、サイズ、効率、EMCの3つです。では、PD機器の要件と変圧器の設計要件をどのように結びつければよいのでしょうか？

サイズを最適化する

・設計ポイント１：トランスの高周波低減、小型化

回路基板を見ると、大きな体積を占めているのはトランスであることがわかります。そのため、トランスのサイズを小さくすることで、基板のサイズを小さくすることができます。高周波化によってトランスのサイズと電力伝送量を削減できるため、周波数を200kHz→300kHz→500kHzにすることで、トランスの体積を減らすことができます。

・設計上のポイント2：CCM動作モードによりデバイスサイズが縮小される

・設計上のポイント3：サイズを縮小するための独自の側面フィードバック

効率性の向上

EMC（電磁両立性）は、伝導性および放射性成分を含む、ノイズ源が敏感なデバイスに及ぼす干渉を測定するものです。干渉源を低減すると同時に、結合経路を最適化する必要があります。

EMI を低減するには、まず回路内のノイズ源を特定する必要があります。ノイズ源は、伝導ノイズ源と放射ノイズ源に分けられます。伝導ノイズ源は、一般的に電界の変化によって発生する 30MHz 以内の低周波ノイズです。伝導ノイズ源の主な原因は、パワートランジスタのスイッチング動作によって MOS ソースレベル電圧が変動し、その変動がトランスによって二次側に伝達されることです。MOS の駆動抵抗を改善することでスイッチング速度を低下させることができますが、駆動損失が増加します。または、吸収回路を追加して高周波振動を低減することもできます。トランスの浮遊パラメータは EMI に大きな影響を与えます。例えば、トランスの Cp (一次巻線の電界) は電圧スパイクや電流リップルに影響します。

放射雑音源は30M以上の周波数帯の雑音であり、宇宙磁場の干渉によるものです。これは高周波電流ループで構成されています。高周波ループとは、変圧器の一次側ループと二次側ループを指します。