特种单片开关电源模块的电路设计

2)类型 PD有不同的类型，每种类型对应于一定的电流。例如，0类PD的电流为0.5～4mA。当PD检测有效信号之后，就对PD进行分类。具体方法是将送到网络链路上的电压升高到15.5～20.5V，使PD获得一个固定的电流，再根据电流范围完成PD分类。 3)开关连接 连接以太网电源的开关主要有两种，一种是双极型晶体管开关，其电源效率较高，成本较低;另一种为MOSFET开关，其电源效率极高(可接近于100%)。 下面介绍一种带以太网接口电路的同步整流式15WDC/DC电源变换器模块，可广泛用于网络及通信设备中。 2.2 15W以太网电源模块的电路设计 由双极型开关管和DPA424P构成15WPOE模块的内部电路如图3所示。该电源由两部分组成，即以太网接口电路(电路中用虚线框表示)和DC/DC电源变换器。模块中包含POE识别信号阻抗(24.9kΩ，直流2.5～10V)、0类类型电路(0.5～4mA，直流15～20V)。采用双极型晶体管开关或MOSFET开关时，POE接口的效率分别为η≥87%或η≥97%。 2.2.1 以太网电源接口电路的工作原理 该以太网电源接口电路的工作过程可分为三个阶段：在第一阶段，当输入电压加到PD时，它必须在直流2.5～10V的电压范围内呈现正确的识别信号阻抗，电阻R13(24.9kΩ)可提供这个阻抗;在第二阶段，当直流输入电压为15～20V时，PD用一个规定的电流来识别装置类型，例如0类电流范围是 0.5mA～4mA，这也由R13来完成;在第三阶段，通过双极型开关管(VT)将输入电压接到DC/DC电源变换器上，该电源变换器允许输入超过 30V(28V+UR14)的直流电压。此时稳压管VDZ1被反向击穿，通过R14给VT提供基极电流。R15的作用是防止在其他条件下开启电源。一旦开启电源，辅助绕组输出的高频电压信号就经过耦合电容C3、整流管VD2和限流电阻R16来提高VT的直流偏压，使基极电流增大。在负半周时VD1导通，可确保加到基极上的偏压总为正压。 如图4所示为使用MOSFET(V3)的开关电路。VDZ4及VDZ5分别采用28V及15V稳压管。当输入电压超过28V时VDZ4被反向击穿，使V3 导通，将电源开启。当输入电压超过43V时VDZ5也被反向击穿，能限制V3的栅-源电压，起到保护作用。R15能防止V3被误导通。该以太网电源模块的识别信号阻抗与输入电压的关系曲线如图5所示，识别电压范围是2.5～10V。 2.2.2 15WDC/DC电源变换器的工作原理 DC/DC电源变换器的主要性能指标如下： 1)采用DPA424P型单片开关式稳压器，构成正激、隔离式、3路输出的DC/DC电源变换器模块。直流输入电压范围是36～75V，3路输出分别为 5V/2.4A、7.5V/0.4A和20V/10mA，总输出功率为15.2W，开关频率为400kHz; 2)多路输出，稳压性能好，在最坏的情况下，各路输出的负载调整率指标见表1， 表1 各路输出的负载调整率指标 3路输出电压UO/V 5 7.5 20 负载变化范围/% 20～100 0～100 100 负载调整率SI/% ≤%26;#177;1 -4～+8 -3～+6 3)采用电容耦合式同步整流技术，DC/DC电源变换器的效率高达88%; 4)能精确设定输入线路的欠电压、过电压值; 5)具有输出过载保护、开环保护和过热保护功能。 图3中，输入端EMI滤波器由C1，L1和C2构成。R1为欠电压值/过电压值设定电阻，所设定的UUV=33.3V，UOV=86.0V。R1还能自动减小最大占空比，防止磁饱和。R2为极限电流设定电阻，取R2=13.3kΩ时，所设定的漏极极限电流ILIMIT′ =0.57ILIMIT=0.57%26;#215;2.50A=1.425A。稳压管VDZ2可将漏极电压箝位在安全范围以内。V1的等效栅极电容能给高频变压器提供最佳复位。 该电源以5V输出作为主输出，其他两路输出都是在此基础上获得的。由C11，R11，R12和MOS场效应管V2及V1构成5V主输出的电容耦合式同步整流器。稳压管VDZ3起箝位作用。在没有开关信号时，通过下拉电阻R13使V2关断。储能电感L2回扫绕组的电压经过VD4和C9整流滤波后，获得20V输出。高频变压器次级绕组(8-5)的电压经过VD3和C10整流滤波后获得7.5V输出。将6.8V稳压管VDZ4和二极管VD7反极性串联后作为7.5V输出的负载电阻，以改善空载稳压特性。空载时输出电压一旦超过7.5V，VDZ4就被反向击穿，利用VDZ4和VD2上的压降可将输出电压箝制在大约7.5V上。正常工作时，辅助绕组的输出电压经过VD6、C5整流滤波后给光耦合器PC357提供12～15V的偏压。R5、VD8和C16组成软启动电路，能防止在启动过程中输出过冲。 该电源模块的电源效率与输入电压的关系曲线如图6所示。

2.2.3 电路设计要点 1)采用双极型功率开关管(VT) (1)选择双极型开关管VT，要能承受较高的电压并提供足够的电流，其电流放大系数要足够高。