Como otimizar o projeto de transformadores para fontes de alimentação PoE

Como otimizar o projeto de transformadores para fontes de alimentação PoE

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Power over Ethernet (PoE) - A tecnologia de alimentação via Ethernet refere-se a uma forma pela qual um equipamento de fornecimento de energia (PSE) transmite energia para um dispositivo de alimentação (PD) através de cabos de rede. Aplicações típicas, por exemplo, utilizam um switch PSE como núcleo, conectando diversos dispositivos PD, como pontos de acesso, telefones IP e câmeras IP, através de cabos de rede, e o PSE realiza a transmissão de sinal e energia para os dispositivos PD.

A fonte de alimentação PoE apresenta as seguintes vantagens:

• Instalação e expansão fáceis: O sinal e a energia são transmitidos por meio de cabos de rede, e nenhuma interface de alimentação é necessária ao redor do dispositivo PD.

• Gerenciamento remoto: UM dispositivo PSE fornece energia para vários dispositivos PD para gerenciamento remoto de energia.

• Baixo custo: a linha de sinal e a linha de energia são integradas em um único cabo, eliminando a necessidade de um cabo de alimentação. Assim, o cabo de rede não apenas transmite o sinal, mas também transmite energia, reduzindo o custo da fiação.

• Boa compatibilidade: o protocolo PoE unificado garante que os dispositivos PD sejam compatíveis com qualquer PSE em escala global.

Em termos de arquitetura de circuito, o PSE à esquerda transmite 44-57 V CC para o PD, enquanto o PD à direita converte a alimentação para a tensão necessária através de um circuito redutor. O PSE e o PD estão conectados por meio de uma porta RJ45 e um cabo de par trançado de 100 m.

De acordo com diferentes cenários de aplicação de energia, os padrões de alimentação Ethernet IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT e IEEE 802.3BT são publicados pelo IEEE. Em particular, o padrão IEEE 802.3BT foi lançado em 2019, aprimorando significativamente a potência da alimentação PoE. O PSE fornece 90 W de potência e o PD recebe 71 W após 100 metros de cabo de rede. Esse nível de potência Classe 8 é aplicado principalmente em sistemas de alimentação de pequenas estações base. Além disso, os padrões 802.3BT são retrocompatíveis com os padrões 802.3AF e 802.3AT. Quando um PD 802.3BT é conectado a um PSE de baixa potência 802.3AF ou 802.3AT, ele funcionará em estado de baixa potência, ou seja, "degradado".

Nesse processo, o PD com menor potência é conectado ao PSE com maior potência, sem que ocorra qualquer dano ao dispositivo. O seguinte processo de handshake ocorre principalmente quando o PSE fornece energia ao PD:

Arquitetura de aplicação de fonte de alimentação

Os conversores DC/DC possuem esquemas isolados e não isolados. Para fontes de alimentação PoE isoladas, elas são divididas em topologias forward e flyback, incluindo PSR (realimentação do lado primário) e SSR (realimentação do lado secundário). As seguintes topologias são analisadas:

Na arquitetura de circuitos de equipamentos de distribuição de potência (PD), três parâmetros são de extrema importância: tamanho, eficiência e compatibilidade eletromagnética (EMC). Como, então, conciliar os requisitos dos equipamentos de PD com os requisitos de projeto dos transformadores?

Otimizar o tamanho

• Ponto de projeto 1: redução de alta frequência do transformador em tamanho reduzido

Em uma placa de circuito impresso, é possível observar que o componente de maior volume é o transformador; portanto, reduzir o tamanho do transformador permite economizar espaço na placa. Altas frequências também podem reduzir o tamanho do transformador e a potência transmitida por ele, de modo que frequências de 200 kHz a 500 kHz podem diminuir o volume do transformador.

• Ponto de projeto 2: O modo de operação CCM reduz o tamanho do dispositivo

• Ponto de design 3: Feedback lateral original para reduzir o tamanho

Aumentar a eficiência

A EMC mede a interferência causada por fontes de ruído em dispositivos sensíveis, incluindo componentes de condução e radiação. Por um lado, as fontes de interferência devem ser reduzidas e, por outro, os caminhos de acoplamento devem ser otimizados.

Para reduzir a EMI, é necessário primeiro identificar a fonte de ruído no circuito. As fontes de ruído podem ser divididas em ruído de condução e ruído de radiação. O ruído de condução geralmente se refere a ruídos de baixa frequência, abaixo de 30 MHz, produzidos pela variação do campo elétrico. A principal causa desse ruído é a alteração da tensão de nível de fonte do MOSFET durante a chaveamento da válvula de potência, o que leva à transferência dessa alteração para o secundário do transformador. Aumentar a resistência de acionamento do MOSFET pode reduzir a velocidade de chaveamento, mas aumentará as perdas de acionamento. Outra alternativa é adicionar circuitos de absorção para reduzir as oscilações de alta frequência. Os parâmetros parasitas do transformador também influenciam significativamente a EMI; por exemplo, o capacitor Cp (campo elétrico do enrolamento primário) afeta os picos de tensão e a ondulação da corrente.

A fonte de ruído irradiado é o ruído acima de 30M, que é a interferência do campo magnético espacial. É composto pelo circuito de corrente de alta frequência. O circuito de alta frequência refere-se ao circuito do lado primário e ao circuito do lado secundário do transformador.