許多現(xiàn)有的以太網(wǎng)設(shè)備都從采用墻上適配器電源轉(zhuǎn)向采用新推出的 IEEE 802.3af 以太網(wǎng)供電 （PoE） 標(biāo)準(zhǔn)。過去采用墻上適配器時(shí)，電源系統(tǒng)效率不算是大問題，但采用 PoE 情況卻有所改變。功能電路開始從 10W 范圍汲取電能的應(yīng)用需要嚴(yán)格控制用電。

一旦執(zhí)行 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)要求的功能，首先，我們將確定可用的凈功率。其次，我們將介紹常見 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的建模方法，計(jì)算出應(yīng)用電路可用的功率，并將給出兩種拓?fù)浞独M(jìn)行比較。建模過程使設(shè)計(jì)人員能在設(shè)計(jì)最初的電路前明確拓?fù)浞绞脚c技術(shù)問題。

PoE 前端損耗

圖 1 給出了基本的結(jié)構(gòu)圖，顯示了電源設(shè)備 （PSE） 通過DC/DC 轉(zhuǎn)換器與應(yīng)用電路的互連。相關(guān)計(jì)算得出了表 1 所示的結(jié)果，計(jì)算中假定 PSE 輸出（最低 44V）通過 20Ω 線纜連接至 PD。PD 前端帶有變壓器（總共 1Ω，中心抽頭兩側(cè)各 0.5Ω）、全波網(wǎng)橋以及串連 1Ω 開關(guān) （FET） 的熱插拔控制器（即 PD 控制器）。

表 1 PoE 配電與前端損耗分析

PD 功能電路最大可用功率為 12.16 W。802.3af 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線纜損耗在最糟糕情況下為 2.45 W，而輸入二極管橋路決定著前端額外損耗為 0.78 W。

圖 1，基本 PoE 結(jié)構(gòu)圖

功率轉(zhuǎn)換級(jí)建模

簡單建模技術(shù)幫助設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)前了解不同拓?fù)渑c技術(shù)選擇的效果。簡單的效率假定可提供快速定性結(jié)果，可進(jìn)行拓?fù)浔容^與優(yōu)化。最終結(jié)果可能與假定的相比沒有什么偏差，因此設(shè)計(jì)人員始終應(yīng)規(guī)定可用功率低于上述結(jié)果，留有一些余量。

首先，我們不妨來看看一個(gè)單級(jí)轉(zhuǎn)換器至一個(gè)輸出電壓的基線。效率達(dá) 90% 的 3.3V 單輸出轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生 0.9×12.16 = 10.9W 的可用輸出功率。盡管 90% 的效率可能偏于樂觀，但它確實(shí)提供了一個(gè)與其它拓?fù)溥M(jìn)行比較的基線。

其次，我們將估計(jì)更復(fù)雜電源提供的輸出功率。我們用簡單建模技術(shù)來研究每個(gè)穩(wěn)壓器的拓?fù)渑c技術(shù)如何影響輸出功率。我們假定電流為 0.2A、2A、0.25A、0.25A 時(shí)，輸出電壓分別為 +5V、3.3V 、2.5V、1.8V。這樣合計(jì)得到的合理功率為 9.6W。

圖 2 顯示了兩種可能的電源架構(gòu)與技術(shù)選擇。拓?fù)?1 說明了現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)的調(diào)整情況，其 12V 墻上適配器用 48V 至 12V 的前端替代。拓?fù)?2 試圖使可用功率最大化。

圖 2，兩種電源拓?fù)溥x擇方案

為了評(píng)估該模型，我們從最右邊的穩(wěn)壓器開始，計(jì)算其損耗與總輸入功率，隨后使用上述結(jié)果評(píng)估其左邊的下一個(gè)穩(wěn)壓器。為了簡單起見，我們假定開關(guān)效率為 90%，且線性穩(wěn)壓器沒有偏置電流。以下總結(jié)了各穩(wěn)壓器類型的計(jì)算結(jié)果。

定義

IOUT = 應(yīng)用負(fù)載電流

PIN_Next_Stage = 下行轉(zhuǎn)換器或線性穩(wěn)壓器汲取的功率

線性穩(wěn)壓器級(jí)

POUT＝（VOUT×IOUT）＋PIN_Next_Stage

PIN＝VIN× POUT/VOUT

PLoss＝PIN－POUT

開關(guān)穩(wěn)壓器級(jí)

POUT＝（VOUT×IOUT）＋PIN_Next_Stage

PIN＝ POUT/Effiviency

PLoss＝PIN－POUT

表 2，拓?fù)?1 模型

用表 2 中的數(shù)據(jù)，我們對(duì)圖 2 所示的拓?fù)?1 模型進(jìn)行計(jì)算。我們不妨來看看表 2 中鏈 1 下面部分的數(shù)據(jù)，從 1.8V 穩(wěn)壓器的輸入功率與損耗開始；我們注意到這里沒有下一級(jí)功率。2.5V 穩(wěn)壓器的計(jì)算與此類似，這里的輸出功率包括到負(fù)載的 0.25A 乘以 2.5V，加上之前計(jì)算得出的 1.8V 穩(wěn)壓器的輸入功率。3.3V 開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入功率是總輸出功率除以該級(jí)的效率 （0.9%）。 3.3V 穩(wěn)壓器的功耗仍為輸入功率減去輸出功率。上部分的計(jì)算方式類似鏈 2 數(shù)據(jù)。48V 至 12V 穩(wěn)壓器的參數(shù)與 3.3V 穩(wěn)壓器的計(jì)算類似，這里的總輸出功率為上部與下部輸入功率之和。為了掌握該拓?fù)涞男阅埽覀儗⒏鞑糠謸p耗加在一起，視在效率計(jì)算如下：

效率＝1－Total-Losses/Input-Power

表 2 中可用的輸出功率為輸入功率減去所有計(jì)算得出的各部分損耗。

拓?fù)?1 的輸入功率超出了可用量。為了給出更有趣的結(jié)果，我們對(duì)所示的 3.3V 負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，直到輸入功率為 12.16W 為止。表 2 中的黑體數(shù)值反映了 3.3V 電源負(fù)載從 2A 降至 1.83A 的情況。

拓?fù)?2 用表 3 中數(shù)據(jù)建模的方式與拓?fù)?1 類似，不過略有不同。一個(gè)虛擬的 3.3V 穩(wěn)壓器建模時(shí)效率為 1，以得出正確的功率與損耗的總數(shù)。

表 3，拓?fù)?2 模型

拓?fù)?2 中 48V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換器所用的 90% 的效率就實(shí)際的同步輸出整流器電路而言是相當(dāng)樂觀的數(shù) 值。

結(jié)論

考慮 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)功能之后，12.16W 是其它電子設(shè)備可用的最大功率，包括穩(wěn)壓器損耗。

PoE 應(yīng)用的拓?fù)渑c技術(shù)選擇的影響相當(dāng)驚人。拓?fù)?1僅向應(yīng)用電路提供 8.11W 的功率，而拓?fù)?2 可提供 10.43W 的功率，提高了 28%。如果基線單輸出轉(zhuǎn)換器為 10.9W，那么拓?fù)?2 中所有額外三個(gè)輸出處理只消耗 0.47W！3.3V 轉(zhuǎn)換器采用二極管輸出轉(zhuǎn)換器（85% 的效率）代替同步整流器，這使可用功率降低 0.61W。

該建模技術(shù)使得設(shè)計(jì)人員可根據(jù)拓?fù)渑c技術(shù)選擇迅速計(jì)算可用的輸出功率，并使用該信息在可用功率、復(fù)雜性與成本等各因素間進(jìn)行綜合平衡。

為了評(píng)估該模型，我們從最右邊的穩(wěn)壓器開始，計(jì)算其損耗與總輸入功率，隨后使用上述結(jié)果評(píng)估其左邊的下一個(gè)穩(wěn)壓器。為了簡單起見，我們假定開關(guān)效率為 90%，且線性穩(wěn)壓器沒有偏置電流。以下總結(jié)了各穩(wěn)壓器類型的計(jì)算結(jié)果。