วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟ PoE

วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟ PoE

·

Power over Ethernet (PSE) - เทคโนโลยีการจ่ายไฟหมายถึงวิธีการที่อุปกรณ์จ่ายไฟ (PSE) ส่งพลังงานไปยังอุปกรณ์รับไฟ (PD) ผ่านสายเคเบิลเครือข่าย ตัวอย่างเช่น การใช้งานทั่วไปจะใช้สวิตช์ PSE เป็นแกนหลัก เชื่อมต่ออุปกรณ์ PD จำนวนมาก เช่น Access Point, โทรศัพท์ IP และกล้อง IP ผ่านสายเคเบิลเครือข่าย และ PSE จะทำหน้าที่ส่งสัญญาณและพลังงานไปยัง PD

แหล่งจ่ายไฟ PoE มีข้อดีดังต่อไปนี้:

• ติดตั้งและขยายได้ง่าย: สัญญาณและพลังงานถูกส่งผ่านสายเคเบิลเครือข่าย และไม่จำเป็นต้องมีอินเทอร์เฟซจ่ายไฟเพิ่มเติมรอบๆ อุปกรณ์ PD

• การจัดการระยะไกล: อุปกรณ์ PSE เพียงตัวเดียวสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ PD หลายตัวเพื่อการจัดการพลังงานจากระยะไกล

• ต้นทุนต่ำ: สายสัญญาณและสายไฟถูกรวมไว้ในเส้นเดียว โดยไม่ต้องใช้สายไฟแยกต่างหาก ดังนั้นสายเคเบิลเครือข่ายจึงไม่เพียงแต่ทำหน้าที่ส่งสัญญาณเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่ส่งผ่านพลังงานด้วย ทำให้ต้นทุนในการเดินสายลดลง

• ความเข้ากันได้ดี: โปรโตคอล PoE ที่เป็นมาตรฐานเดียวกันช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ PD สามารถใช้งานร่วมกับ PSE ใดๆ ก็ได้ทั่วโลก

ในแง่ของโครงสร้างวงจร PSE ทางด้านซ้ายจะส่งกระแสไฟ DC 44-57V ไปยัง PD ในขณะที่ PD ทางด้านขวาจะแปลงกระแสไฟจากแหล่งจ่ายไฟให้เป็นกระแสไฟฟ้าที่ต้องการด้วยวงจรลดแรงดัน PSE และ PD เชื่อมต่อกันผ่านพอร์ต RJ45 และสายเคเบิลแบบคู่บิดเกลียวความยาว 100 เมตร

มาตรฐานการจ่ายไฟอีเธอร์เน็ต IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT และ IEEE 802.3BT ได้รับการเผยแพร่โดย IEEE ตามสถานการณ์การใช้งานพลังงานที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มาตรฐาน IEEE 802.3BT ที่เผยแพร่ในปี 2019 ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการจ่ายไฟ PoE อย่างมาก PSE จ่ายไฟ 90W และ PD รับไฟ 71W หลังจากผ่านสายเคเบิลเครือข่ายยาว 100 เมตร ระดับพลังงานคลาส 8 นี้ส่วนใหญ่ใช้ในระบบจ่ายไฟของสถานีฐานขนาดเล็ก นอกจากนี้ มาตรฐาน 802.3BT ยังสามารถใช้งานร่วมกับมาตรฐาน 802.3AF และ 802.3AT ได้ เมื่อเชื่อมต่อ PD 802.3BT กับ PSE พลังงานต่ำ 802.3AF และ 802.3AT มันจะทำงานในสถานะพลังงานต่ำ หรือ "ลดระดับ"

ในกระบวนการนี้ อุปกรณ์ PD ที่มีกำลังไฟต่ำกว่าจะเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ PSE ที่มีกำลังไฟสูงกว่า และอุปกรณ์จะไม่ได้รับความเสียหาย กระบวนการจับคู่ต่อไปนี้มักเกิดขึ้นเมื่อ PSE จ่ายไฟให้กับ PD:

สถาปัตยกรรมแอปพลิเคชันแหล่งจ่ายไฟ

วงจร DC/DC มีทั้งแบบแยกวงจรและไม่แยกวงจร สำหรับแหล่งจ่ายไฟ POE แบบแยกวงจร จะแบ่งออกเป็นแบบฟอร์เวิร์ดและฟลายแบ็ก ซึ่งรวมถึง PSR (primary side feedback) และ SSR (secondary side feedback) โดยจะวิเคราะห์โทโพโลยีต่อไปนี้:

ในการออกแบบวงจรของอุปกรณ์ PD นั้น มีพารามิเตอร์หลักสามประการที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ขนาด ประสิทธิภาพ และ EMC ดังนั้น จะเชื่อมโยงข้อกำหนดของอุปกรณ์ PD กับข้อกำหนดในการออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าได้อย่างไร?

ปรับขนาดให้เหมาะสม

• จุดเด่นในการออกแบบข้อที่ 1: หม้อแปลงลดความถี่สูง ขนาดเล็ก

ในแผงวงจร คุณจะเห็นว่าส่วนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดคือหม้อแปลง ดังนั้นการลดขนาดของหม้อแปลงจึงสามารถประหยัดขนาดของแผงวงจรได้ ความถี่สูงสามารถลดขนาดและกำลังส่งของหม้อแปลงได้ ดังนั้นความถี่ตั้งแต่ 200 kHz -> 300 kHz -> 500 kHz จึงสามารถลดปริมาตรของหม้อแปลงได้

• จุดเด่นด้านการออกแบบข้อที่ 2: โหมดการทำงาน CCM ช่วยลดขนาดของอุปกรณ์

• จุดออกแบบที่ 3: ลดขนาดฟีดแบ็กด้านข้างแบบดั้งเดิม

เพิ่มประสิทธิภาพ

EMC เป็นการวัดการรบกวนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนต่ออุปกรณ์ที่ไวต่อสัญญาณรบกวน รวมถึงส่วนประกอบที่นำไฟฟ้าและแผ่รังสี ในด้านหนึ่ง ควรลดแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน และในอีกด้านหนึ่ง ควรปรับปรุงเส้นทางการเชื่อมต่อให้เหมาะสมที่สุด

เพื่อลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ควรตรวจสอบแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนในวงจรเสียก่อน แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนสามารถแบ่งออกเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจากการนำไฟฟ้าและแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจากการแผ่รังสี แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจากการนำไฟฟ้าโดยทั่วไปคือสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำภายใน 30 MHz ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจากการนำไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากการทำงานของทรานซิสเตอร์กำลังไฟฟ้าที่ทำให้แรงดันระดับแหล่งกำเนิดของ MOS เปลี่ยนแปลง ซึ่งจะทำให้หม้อแปลงส่งแรงดันที่เปลี่ยนแปลงนั้นไปยังด้านรอง การเพิ่มความต้านทานการขับของ MOS สามารถลดความเร็วในการสวิตช์ได้ แต่การสูญเสียในการขับจะเพิ่มขึ้น หรืออาจเพิ่มวงจรดูดซับเพื่อลดการสั่นความถี่สูง พารามิเตอร์อื่นๆ ของหม้อแปลงมีอิทธิพลอย่างมากต่อ EMI ตัวอย่างเช่น ค่า Cp (สนามไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ) ของหม้อแปลงส่งผลต่อแรงดันกระชากและกระแสกระเพื่อม

แหล่งกำเนิดเสียงรบกวนที่แผ่กระจายออกมาคือเสียงรบกวนที่ความถี่สูงกว่า 30M ซึ่งเป็นการรบกวนจากสนามแม่เหล็กในอวกาศ ประกอบด้วยวงจรไฟฟ้าความถี่สูง โดยวงจรความถี่สูงในที่นี้หมายถึงวงจรด้านปฐมภูมิและวงจรด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า