Jak zoptymalizować projekt transformatora do zasilania PoE

Jak zoptymalizować projekt transformatora do zasilania PoE

·

Power over Ethernet – technologia zasilania odnosi się do sposobu, w jaki urządzenia zasilające (PSE – Power Source Equipment) przesyłają energię do urządzeń zasilających (PD – Power Device) za pośrednictwem kabli sieciowych. Typowe zastosowania, na przykład, wykorzystują przełącznik PSE jako rdzeń, łączą liczne urządzenia zasilające (PD), takie jak punkt dostępowy, telefon IP i kamera IP, za pomocą kabli sieciowych, a PSE dopełnia transmisję sygnału i energii do urządzeń zasilających (PD).

Zasilacz PoE ma następujące zalety:

• Łatwa instalacja i rozbudowa: sygnał i zasilanie przesyłane są za pomocą kabli sieciowych, a wokół urządzenia PD nie jest wymagany żaden interfejs zasilania

• Zdalne zarządzanie: JEDNO urządzenie PSE zasila wiele urządzeń PD, umożliwiając zdalne zarządzanie zasilaniem

• Niski koszt: linia sygnałowa i linia zasilająca są zintegrowane w jedną całość, bez kabla zasilającego, dzięki czemu kabel sieciowy nie tylko przenosi sygnał, ale także pełni rolę transmisji zasilania, co pozwala na redukcję kosztów okablowania

• Dobra kompatybilność: ujednolicony protokół PoE gwarantuje, że urządzenia PD mogą być kompatybilne z dowolnym urządzeniem PSE na skalę globalną

Jeśli chodzi o architekturę obwodu, PSE po lewej stronie przesyła napięcie stałe 44–57 V do PD, podczas gdy PD po prawej stronie przetwarza zasilanie na wymaganą energię elektryczną za pomocą układu obniżającego napięcie. PSE i PD są połączone za pomocą portu RJ45 i 100-metrowej skrętki dwużyłowej.

Zgodnie z różnymi scenariuszami zastosowań zasilania, IEEE publikuje standardy zasilania Ethernet IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT i IEEE 802.3BT. W szczególności standard IEEE 802.3BT został wydany w 2019 roku i znacznie zwiększa moc zasilania PoE. PSE zapewnia moc 90 W, a PD otrzymuje 71 W po 100 metrach kabla sieciowego. Ten poziom mocy klasy 8 jest stosowany głównie w systemach zasilania małych stacji bazowych. Ponadto standardy 802.3BT są wstecznie kompatybilne ze standardami 802.3AF i 802.3AT. Po podłączeniu PD 802.3BT do niskonapięciowego PSE 802.3AF i 802.3AT, będzie on działał w stanie niskiego poboru mocy, czyli „zdegradowanym”.

W tym procesie PD o niższej mocy jest podłączony do PSE o wyższej mocy, co nie powoduje uszkodzenia urządzenia. Poniższy proces uzgadniania występuje głównie, gdy PSE dostarcza zasilanie do PD:

Architektura aplikacji zasilania

Prąd stały/stały (DC/DC) występuje w schematach izolowanych i nieizolowanych. W przypadku izolowanego zasilania POE, dzieli się je na topologie forward i flyback, w tym PSR (sprzężenie zwrotne po stronie pierwotnej) i SSR (sprzężenie zwrotne po stronie wtórnej). Analizowane są następujące topologie:

W architekturze obwodów urządzeń PD brane są pod uwagę głównie trzy parametry: rozmiar, sprawność i EMC. Jak zatem połączyć wymagania urządzeń PD z wymaganiami projektowymi transformatorów?

Zoptymalizuj rozmiar

• Punkt projektowy 1: transformator o małej redukcji wysokiej częstotliwości

Na płytce drukowanej widać, że transformator zajmuje dużą objętość, więc zmniejszenie jego rozmiaru może zaoszczędzić na płytce. Wysoka częstotliwość może zmniejszyć rozmiar transformatora i moc przenoszoną przez transformator, więc częstotliwość z zakresu 200 kHz -> 300 kHz -> 500 kHz może zmniejszyć objętość transformatora.

• Punkt projektowy 2: tryb pracy CCM zmniejsza rozmiar urządzenia

• Punkt projektowy 3: Oryginalne sprzężenie zwrotne boczne w celu zmniejszenia rozmiaru

Zwiększ wydajność

EMC mierzy zakłócenia powodowane przez źródła szumu w urządzeniach wrażliwych, w tym elementy przewodzące i promieniujące. Z jednej strony należy redukować źródła zakłóceń, a z drugiej optymalizować ścieżki sprzężenia.

Aby zredukować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), należy najpierw potwierdzić źródło szumu w obwodzie. Źródła szumu można podzielić na szum przewodzenia i szum promieniowania. Źródłem szumu przewodzonego jest zazwyczaj szum o niskiej częstotliwości w zakresie 30 MHz, który powstaje w wyniku zmiany pola elektrycznego. Źródłem szumu przewodzenia jest głównie działanie przełączające lampy mocy, które prowadzi do mutacji napięcia na poziomie źródła MOS, co powoduje, że transformator przenosi mutację napięcia na stronę wtórną. Poprawa rezystancji sterowania MOS może zmniejszyć szybkość przełączania, ale straty sterowania wzrosną. Można również dodać obwody absorpcyjne w celu zmniejszenia oscylacji o wysokiej częstotliwości. Parametry rozproszenia transformatora mają duży wpływ na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), na przykład współczynnik Cp transformatora (pole elektryczne uzwojenia pierwotnego) wpływa na skoki napięcia i tętnienia prądu.

Źródłem szumu promieniowanego jest szum powyżej 30 mA, który jest interferencją z kosmicznym polem magnetycznym. Składa się on z pętli prądowej o wysokiej częstotliwości. Pętla o wysokiej częstotliwości odnosi się do pętli strony pierwotnej i pętli strony wtórnej transformatora.