Làm thế nào để tối ưu hóa thiết kế biến áp cho nguồn điện PoE?

Làm thế nào để tối ưu hóa thiết kế biến áp cho nguồn điện PoE?

·

Cấp nguồn qua Ethernet (PoE) - Công nghệ cấp nguồn này đề cập đến phương thức để thiết bị cấp nguồn (PSE) truyền tải điện năng đến thiết bị nhận điện (PD) thông qua cáp mạng. Ví dụ, các ứng dụng điển hình sử dụng bộ chuyển mạch PSE làm lõi, kết nối nhiều thiết bị PD như điểm truy cập, điện thoại IP và camera IP thông qua cáp mạng, và PSE thực hiện việc truyền tín hiệu và điện năng đến các thiết bị PD.

Bộ nguồn PoE có những ưu điểm sau:

• Dễ dàng lắp đặt và mở rộng: Tín hiệu và nguồn điện được truyền qua cáp mạng, không cần giao diện nguồn điện nào xung quanh thiết bị PD.

• Quản lý từ xa: Một thiết bị PSE cung cấp nguồn điện cho nhiều thiết bị PD để quản lý nguồn điện từ xa.

• Chi phí thấp: đường tín hiệu và đường dây điện được tích hợp thành một, loại bỏ dây cáp điện, do đó cáp mạng không chỉ là phương tiện truyền tín hiệu mà còn đảm nhiệm vai trò truyền tải điện năng, giúp giảm chi phí đi dây.

• Khả năng tương thích tốt: giao thức PoE thống nhất đảm bảo các thiết bị PD có thể tương thích với bất kỳ thiết bị PSE nào trên toàn cầu.

Về cấu trúc mạch, PSE ở bên trái truyền điện áp DC 44-57V đến PD, trong khi PD ở bên phải chuyển đổi nguồn điện thành điện áp cần thiết bằng mạch hạ áp. PSE và PD được kết nối thông qua cổng RJ45 và cáp xoắn đôi dài 100m.

Tùy thuộc vào các kịch bản ứng dụng nguồn khác nhau, IEEE đã ban hành các tiêu chuẩn cấp nguồn Ethernet IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT và IEEE 802.3BT. Đặc biệt, tiêu chuẩn IEEE 802.3BT được phát hành năm 2019, giúp cải thiện đáng kể công suất cấp nguồn PoE. PSE cung cấp công suất 90W, và PD nhận được 71W sau 100 mét cáp mạng. Mức công suất cấp 8 này chủ yếu được ứng dụng trong hệ thống cấp nguồn của các trạm gốc nhỏ. Ngoài ra, tiêu chuẩn 802.3BT tương thích ngược với các tiêu chuẩn 802.3AF và 802.3AT. Khi PD 802.3BT được kết nối với PSE 802.3AF và 802.3AT công suất thấp, nó sẽ hoạt động ở trạng thái công suất thấp, tức là "giảm hiệu suất".

Trong quá trình này, thiết bị PD có công suất thấp hơn được kết nối với thiết bị PSE có công suất cao hơn mà không gây hư hại cho thiết bị. Quá trình bắt tay sau đây chủ yếu diễn ra khi PSE cung cấp điện cho PD:

Kiến trúc ứng dụng nguồn điện

Bộ chuyển đổi DC/DC có các sơ đồ cách ly và không cách ly. Đối với nguồn cấp điện PoE cách ly, nó được chia thành các cấu trúc chuyển tiếp và hồi tiếp, bao gồm PSR (phản hồi phía sơ cấp) và SSR (phản hồi phía thứ cấp). Các cấu trúc sau đây được phân tích:

Trong kiến ​​trúc mạch của thiết bị phân phối công suất (PD), ba thông số chính cần quan tâm là: kích thước, hiệu suất và tương thích điện từ (EMC). Vậy làm thế nào để kết nối các yêu cầu của thiết bị PD với các yêu cầu thiết kế máy biến áp?

Tối ưu hóa kích thước

• Điểm thiết kế 1: Biến áp giảm tần số cao, kích thước nhỏ gọn

Trên một bo mạch in, bạn có thể thấy phần chiếm thể tích lớn nhất là biến áp, vì vậy giảm kích thước biến áp có thể tiết kiệm kích thước của bo mạch. Tần số cao có thể giảm kích thước biến áp và công suất truyền tải của biến áp, vì vậy tần số từ 200 kHz -> 300 kHz -> 500 kHz có thể giảm thể tích biến áp.

• Điểm thiết kế 2: Chế độ hoạt động CCM giúp giảm kích thước thiết bị

• Điểm thiết kế 3: Phản hồi từ phía bên ban đầu để giảm kích thước

Tăng hiệu quả

EMC đo lường sự nhiễu gây ra bởi các nguồn tiếng ồn trên các thiết bị nhạy cảm, bao gồm cả các thành phần dẫn truyền và bức xạ. Một mặt, cần phải giảm thiểu các nguồn gây nhiễu và mặt khác, cần phải tối ưu hóa các đường dẫn ghép nối.

Để giảm nhiễu điện từ (EMI), trước tiên cần xác định nguồn nhiễu trong mạch. Nguồn nhiễu có thể được chia thành nguồn nhiễu dẫn và nguồn nhiễu bức xạ. Nguồn nhiễu dẫn thường là nhiễu tần số thấp trong phạm vi 30MHz, được tạo ra do sự thay đổi của điện trường. Nguồn nhiễu dẫn chủ yếu là do hoạt động chuyển mạch của bóng công suất dẫn đến sự biến đổi điện áp mức nguồn của MOS, khiến máy biến áp truyền sự biến đổi điện áp này sang phía thứ cấp. Việc tăng điện trở điều khiển của MOS có thể làm giảm tốc độ chuyển mạch, nhưng tổn hao điều khiển sẽ tăng lên. Hoặc thêm các mạch hấp thụ để giảm dao động tần số cao. Các thông số không mong muốn của máy biến áp có ảnh hưởng lớn đến EMI, ví dụ, hệ số Cp của máy biến áp (điện trường cuộn dây sơ cấp) ảnh hưởng đến các xung điện áp và gợn sóng dòng điện.

Nguồn nhiễu bức xạ là nhiễu trên 30M, là sự nhiễu loạn của từ trường vũ trụ. Nó bao gồm các vòng dòng điện tần số cao. Vòng tần số cao ở đây đề cập đến vòng phía sơ cấp và vòng phía thứ cấp của máy biến áp.