Как оптимизировать конструкцию трансформатора для источника питания PoE

Как оптимизировать конструкцию трансформатора для источника питания PoE

·

Технология Power over Ethernet (питание по Ethernet) описывает способ передачи питания от источника питания (PSE) к питаемым устройствам (PD) по сетевым кабелям. В типичных приложениях, например, в качестве ядра используется коммутатор PSE, к которому через сетевые кабели подключаются многочисленные питаемые устройства, такие как точки доступа, IP-телефоны и IP-камеры, а PSE осуществляет передачу сигнала и питания к питаемым устройствам.

Источники питания PoE обладают следующими преимуществами:

• Простота установки и расширения: сигнал и питание передаются по сетевым кабелям, и вокруг устройства PD не требуется интерфейс питания.

• Удаленное управление: одно устройство PSE подает питание на несколько устройств PD для удаленного управления питанием.

• Низкая стоимость: сигнальная и силовая линии объединены в один кабель, исключая необходимость в силовом кабеле, поэтому сетевой кабель не только передает сигнал, но и выполняет функцию передачи электроэнергии, что снижает затраты на проводку.

• Хорошая совместимость: унифицированный протокол PoE гарантирует совместимость устройств PD с любым устройством PSE в глобальном масштабе.

С точки зрения схемной архитектуры, PSE слева передает постоянное напряжение 44-57 В на PD, а PD справа преобразует напряжение питания в требуемое с помощью понижающей схемы. PSE и PD соединены через порт RJ45 и 100-метровый кабель витой пары.

В зависимости от различных сценариев применения, IEEE публикует стандарты электропитания Ethernet 802.3AF, IEEE 802.3AT и IEEE 802.3BT. В частности, стандарт IEEE 802.3BT, выпущенный в 2019 году, значительно улучшает мощность питания PoE. PSE обеспечивает мощность 90 Вт, а PD получает 71 Вт после 100 метров сетевого кабеля. Этот уровень мощности класса 8 в основном применяется в системах электропитания небольших базовых станций. Кроме того, стандарты 802.3BT обратно совместимы со стандартами 802.3AF и 802.3AT. При подключении PD 802.3BT к маломощным PSE 802.3AF и 802.3AT он будет работать в режиме пониженного энергопотребления, то есть в «деградированном» режиме.

В этом процессе фотодиод с меньшей мощностью подключается к источнику питания с большей мощностью, и при этом устройство не повреждается. Следующий процесс установления соединения в основном наблюдается, когда источник питания подает питание на фотодиод:

Архитектура приложения для источников питания

DC/DC-преобразователи имеют изолированные и неизолированные схемы. Изолированные источники питания POE подразделяются на прямые и обратноходовые топологии, включая PSR (обратная связь на первичной стороне) и SSR (обратная связь на вторичной стороне). Анализируются следующие топологии:

В схемотехнике оборудования, работающего с частичным разрядом, в основном важны три параметра: размер, эффективность и электромагнитная совместимость. Как же тогда связать требования к оборудованию, работающему с частичным разрядом, с требованиями к проектированию трансформатора?

Оптимизировать размер

• Пункт проектирования 1: трансформатор для снижения высокочастотных колебаний, малый размер.

На печатной плате видно, что большую часть объема занимает трансформатор, поэтому уменьшение его размеров позволяет сэкономить габариты платы. Высокая частота позволяет уменьшить размер трансформатора и мощность, передаваемую им, поэтому переход от частоты 200 кГц -> 300 кГц -> 500 кГц позволяет уменьшить объем трансформатора.

• Пункт проектирования 2: Режим работы CCM уменьшает габариты устройства.

• Пункт проектирования 3: Первоначальная обратная связь для уменьшения размера

Повышение эффективности

Электромагнитная совместимость (ЭМС) измеряет помехи, создаваемые источниками шума на чувствительных устройствах, включая проводящие и излучающие компоненты. С одной стороны, необходимо уменьшить источники помех, а с другой — оптимизировать пути связи.

Для снижения электромагнитных помех (ЭМП) необходимо сначала определить источник шума в цепи. Источники шума можно разделить на кондуктивные и излучательные. Кондуктивные помехи, как правило, представляют собой низкочастотный шум в диапазоне 30 МГц, возникающий из-за изменения электрического поля. В основном, кондуктивные помехи возникают из-за того, что переключение силового транзистора приводит к изменению напряжения истока МОП-транзистора, что вызывает передачу этого изменения напряжения на вторичную обмотку трансформатора. Увеличение сопротивления управления МОП-транзистором может снизить скорость переключения, но при этом увеличится потеря мощности. Или же можно добавить поглощающие цепи для уменьшения высокочастотных колебаний. Паразитные параметры трансформатора оказывают большое влияние на ЭМП, например, сопротивление Cp (электрическое поле первичной обмотки) трансформатора влияет на скачки напряжения и пульсации тока.

Источником излучаемого шума является шум выше 30 МГц, представляющий собой помехи от космического магнитного поля. Он состоит из высокочастотных токовых петель. Под высокочастотными петлями понимаются петли первичной и вторичной обмоток трансформатора.