基于DPA - Switch的6.6W PoE供電設(shè)備設(shè)計(jì)解析

在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)因其便捷性和高效性，被廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。本文將詳細(xì)介紹一款基于DPA - Switch（DPA423G）的6.6W多類PoE供電設(shè)備（PD）的設(shè)計(jì)，包括其規(guī)格參數(shù)、電路原理、變壓器設(shè)計(jì)以及性能測(cè)試等方面。

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一、產(chǎn)品概述

這款PoE供電設(shè)備型號(hào)為EP - 86，由Power Integrations公司的應(yīng)用部門設(shè)計(jì)。它能夠在33 - 57VDC的輸入電壓范圍內(nèi)，持續(xù)輸出3.3V / 2.0A的功率，滿足IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)中Class 1 - 3的PoE PD要求。該設(shè)備具有諸多特性，如集成220V功率MOSFET開關(guān)的DPA - Switch PWM控制器、欠壓（UV）和過(guò)壓（OV）關(guān)機(jī)功能、自動(dòng)恢復(fù)的滯后熱關(guān)機(jī)功能、自動(dòng)重啟功能等，能有效保護(hù)設(shè)備免受短路和開環(huán)故障的影響。

二、電源規(guī)格

輸入?yún)?shù)

輸入電壓范圍為33 - 57VDC，欠壓開啟電壓典型值為48VDC，欠壓關(guān)閉電壓為33VDC。

輸出參數(shù)

輸出電壓為3.3V，允許±5%的偏差，即范圍在3.135 - 3.465V之間；輸出紋波電壓最大為35mVp - p（20MHz帶寬）；輸出電流最大為2A，輸出峰值電流為2.5A；平均輸出功率為6.6W，故障時(shí)平均輸出功率為8.6W（R6 = 10.2Ω）；滿載效率約為73%。

環(huán)境參數(shù)

該設(shè)備滿足CISPR22B / EN55022B的傳導(dǎo)EMI要求，設(shè)計(jì)上符合IEC950、UL1950 Class II安全標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度范圍為0 - 40°C。

三、電路原理

電路拓?fù)?/h3>

采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)淠苡行p小電路板尺寸、減少元件數(shù)量并降低成本，同時(shí)在輸入電壓范圍內(nèi)具有出色的運(yùn)行效率。

DPA - Switch初級(jí)電路

DPA423G芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部功率MOSFET的PWM控制，并在啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行軟啟動(dòng)功能。它還具備過(guò)溫保護(hù)、欠壓檢測(cè)和過(guò)壓關(guān)機(jī)功能。集成的220V MOSFET在400kHz的工作頻率下具有良好的開關(guān)特性，且功耗低，保證了整個(gè)輸入電壓工作范圍內(nèi)的高效率。 二極管D3 - D9確保輸入直流電壓正確極化，電容C1、C2和電感L1組成低成本的π型濾波器，用于衰減傳導(dǎo)EMI噪聲。電阻R4和R6用于設(shè)置DPA423G的內(nèi)部電流限制，使其隨輸入電壓升高而降低，從而將最大輸出過(guò)載電流的變化控制在5%以內(nèi)。初級(jí)側(cè)的齊納二極管鉗位（VR3）保護(hù)集成MOSFET免受線路浪涌時(shí)的過(guò)壓應(yīng)力影響。初級(jí)偏置繞組在啟動(dòng)后為CONTROL引腳提供電流，二極管D2對(duì)偏置繞組電壓進(jìn)行整流，R8和C11用于衰減高頻開關(guān)噪聲并降低偏置電壓的峰值充電。

輸出整流電路

次級(jí)繞組電壓由低損耗的肖特基二極管（D11）整流，低ESR的鉭輸出電容C7和C8對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，LC輸出濾波器（L2、C9和C10）進(jìn)一步衰減輸出電壓中的開關(guān)噪聲和紋波。

輸出反饋電路

電阻分壓器（R12和R13）檢測(cè)輸出電壓，并將其輸入到1.24V參考IC（U4）的參考引腳。U4的導(dǎo)通會(huì)使電流通過(guò)光耦合器U5的LED，從而控制其光電晶體管（U5 - B）的導(dǎo)通。光電晶體管調(diào)節(jié)流入U(xiǎn)1的CONTROL引腳的電流，DPA - Switch根據(jù)CONTROL引腳電流的變化對(duì)MOSFET開關(guān)的占空比進(jìn)行脈寬調(diào)制。電阻R10設(shè)置U4的增益，R11和C13用于補(bǔ)償U(kuò)4在反饋環(huán)路帶寬（約10kHz）內(nèi)的增益變化。電容C12在轉(zhuǎn)換器初始啟動(dòng)時(shí)防止輸出電壓超過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。

PoE接口電路

電阻R26為PD操作的檢測(cè)階段提供正確的阻抗。當(dāng)齊納二極管VR6導(dǎo)通（高于11VDC）時(shí)，分類電路啟用。晶體管Q9控制由電阻R21編程為約350μA的偏置電流源，該偏置電流源為電壓參考IC U6提供最小工作電流。通過(guò)R20的主分類電流產(chǎn)生的電壓參考U6的內(nèi)部參考（1.24VDC），并通過(guò)控制Q7的基極驅(qū)動(dòng)來(lái)閉合環(huán)路。分類電流源的值由U6參考引腳的電壓值除以R20的阻值確定。當(dāng)齊納二極管VR5在高于27VDC時(shí)導(dǎo)通，提高通斷開關(guān)MOSFET（Q8）的柵極電壓，使其導(dǎo)通；下拉電阻R25限制通過(guò)VR5的電流，下拉電阻R24在未被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)使Q8保持關(guān)閉；齊納二極管VR4將Q8的柵極 - 源極最大電壓限制在15V。當(dāng)VR5導(dǎo)通時(shí)，還會(huì)通過(guò)R23使Q6導(dǎo)通，Q6拉低Q7的基極，從而關(guān)閉主分類電流源，但350μA的偏置電流源仍會(huì)導(dǎo)通。

寬滯后欠壓鎖定電路

在沒有其他元件連接到L引腳時(shí)，電阻R5將欠壓開啟閾值設(shè)置為約35VDC，關(guān)閉閾值設(shè)置為約33VDC。但在PoE應(yīng)用中，開啟電壓遠(yuǎn)高于關(guān)閉電壓，需要更大的欠壓滯后。當(dāng)電源正常工作時(shí)，偏置電壓約為14VDC，電阻R15和R16組成的分壓器在DC - DC轉(zhuǎn)換器開始開關(guān)且偏置電壓存在時(shí)使Q2的基極關(guān)閉。啟動(dòng)時(shí)，偏置電壓不存在，Q2導(dǎo)通，從連接L引腳到直流輸入電壓的電阻（R5）吸收額外電流，R14的取值使啟動(dòng)時(shí)額外吸收10μA電流，將開啟閾值電壓提高到典型的41VDC，而關(guān)閉閾值保持在34VDC。

四、變壓器設(shè)計(jì)

繞組設(shè)計(jì)

變壓器采用ER14.5磁芯，其繞組設(shè)計(jì)如下：

• W1：從引腳3開始，用34AWG的磁線繞10匝，一層繞制，結(jié)束引線回到引腳2。
• W2：從引腳4開始，用34AWG的磁線繞8匝，單層均勻分布在骨架上，結(jié)束引線回到引腳5。
• W3：從引腳9和10開始，用28AWG的雙股磁線繞2匝，一層繞制，結(jié)束引線回到引腳6和7。
• W4：從引腳2繼續(xù)，用34AWG的磁線繞10匝，一層繞制，結(jié)束引線回到引腳1。

電氣規(guī)格

• 電氣強(qiáng)度：引腳1 - 5到引腳6 - 10之間，1秒、60Hz、1500VDC。
• 初級(jí)電感：引腳1 - 3，其他繞組開路時(shí)為120μH，±10%。
• 初級(jí)漏電感：引腳1 - 3，其他繞組開路時(shí)諧振頻率最小為7.5MHz；引腳1 - 3，引腳6/7 - 9/10短路時(shí)最大為3.0μH。

材料選擇

• 磁芯：ER14.5，F(xiàn)erroxcube 3C96、3F3（或等效），ALG = 312nH/T2。
• 骨架：ER14.5，10引腳。
• 磁線：34AWG和28AWG雙涂層（重尼龍）。
• 膠帶：3M 1298聚酯薄膜（或等效），1.8mm寬。
• 磁芯夾：ER14.5 Ferroxcube CLM14.5。
• 清漆：浸漬（非真空浸漬）。

五、性能測(cè)試

效率測(cè)試

在室溫下，測(cè)試不同輸入電壓（36VDC、48VDC、57VDC）和輸出功率下的效率。結(jié)果表明，隨著輸出功率的增加，效率逐漸提高，在滿載時(shí)效率約為73%。

負(fù)載調(diào)節(jié)測(cè)試

在室溫下，測(cè)試不同輸入電壓（36VDC、57VDC）下輸出電壓隨輸出功率的變化。結(jié)果顯示，輸出電壓在不同負(fù)載下的變化在規(guī)定范圍內(nèi)，負(fù)載調(diào)節(jié)性能良好。

線路調(diào)節(jié)測(cè)試

在室溫下，測(cè)試輸出電壓隨輸入電壓（30 - 60VDC）的變化。結(jié)果表明，輸出電壓在輸入電壓變化時(shí)保持穩(wěn)定，線路調(diào)節(jié)性能良好。

過(guò)載輸出電流測(cè)試

記錄不同輸入線電壓下自動(dòng)重啟操作前的直流輸出負(fù)載電流，測(cè)試不同R6阻值下的性能。結(jié)果顯示，通過(guò)調(diào)整R6阻值可以控制過(guò)載輸出電流。

波形測(cè)試

• 漏極電壓和電流：在滿載運(yùn)行時(shí)，測(cè)試不同輸入電壓（36VDC、57VDC）下的漏極電壓和電流波形，觀察其開關(guān)特性。
• 輸出電壓?jiǎn)?dòng)特性：測(cè)試不同輸入電壓（36VDC、57VDC）下無(wú)負(fù)載時(shí)的輸出電壓?jiǎn)?dòng)特性，確保啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)。
• 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：測(cè)試75% - 100%負(fù)載階躍時(shí)的輸出電壓響應(yīng)，通過(guò)信號(hào)平均來(lái)觀察負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，確保輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)能快速穩(wěn)定。
• 輸出紋波測(cè)量：采用改進(jìn)的示波器測(cè)試探頭進(jìn)行輸出紋波測(cè)量，在不同輸入電壓（36VDC、48VDC、57VDC）滿載時(shí)，輸出紋波電壓均在規(guī)定范圍內(nèi)。

六、總結(jié)

這款基于DPA - Switch的6.6W PoE供電設(shè)備在設(shè)計(jì)上充分考慮了性能、成本和可靠性。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和變壓器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的功率輸出，并滿足了IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以進(jìn)一步提高設(shè)備的性能。你在設(shè)計(jì)類似PoE供電設(shè)備時(shí)，是否也會(huì)遇到類似的挑戰(zhàn)呢？又有哪些獨(dú)特的解決方案呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。