一种应对PoE受电设备设计挑战的解决方案

POE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

为了在新的产品应用中夺取和保持市场占有率，降低PoE受电设备(PD)中电源级所占用的成本而同时不牺牲可靠性是至关重要的。本文所提出的解决方案可降低成本并提高PD电源级的可靠和稳定性。

对于集成PD电源电路，电源管理IC制造商一般采取下列两种方法之一(参见图1)：

图1：两个分立接口电路：a) 对0级;b) 对1、2和3级

A. 将前端接口电路和一个用于DC-DC转换器(驱动一个分立功率MOSFET)的PWM控制器集成在一片IC上。B. 将一个功率MOSFET、PWM控制器和用于DC-DC转换器的所有支持电路集成在一片IC上。

第一种方法看来要把大多数电路集成到芯片之中。然而，它不是理想的解决方案，因为接口电路仅仅具有一种可变功能：识别PD的级别(0, 1, 2或3)。在IC内集成如此简单的电路并未对晶圆面积进行最有成本效益地利用，特别是仅使用几个标准的独立元件就可以低廉的成本实现的电路，这些独立元件还可在另个新设计中重复使用。

图2：两种用于PD电源级的最常见集成方法

图2显示了两个分立接口电路。左侧电路实现一个0级PD,在大批量生产中的成本仅仅为9美分;右侧电路成本为20美分，通过改变唯一的电阻(R16)的数值，可以把PD分为1、2或3级。

DC-DC转换器比接口电路要复杂得多，因此，第二种方法(图1中B) 如果把支持DC-DC转换需要的所有功能都集成在IC内部的话，是可以极大地简化设计。

面向PoE应用的电源转换IC

DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。在电路类型分类上属于斩波电路。

因为直通开关MOSFET的漏极被连接到DC-DC转换器的开关MOSFET的源极，现有办法不能把一切都集成到一颗单片晶圆上。一些包含多颗晶圆的IC正开始出现，然而，它们可能价格不菲。因此，要么选择把前端和一个PWM控制器集成在一起的单片芯片，要么选择把PWM控制器、功率MOSFET和相关支持电路集成在一起的单片芯片。

因为设计时间的大半将花在DC-DC转换器上，把常用支持功能集成在所选择的IC之中是至关重要的。下列就是在一款IC中应包括的集成功能：

过热保护：

安全和高度可靠的DC-DC转换器具有热感测和过热保护。MOSFET开关可能是所有开关转换器中最易发热的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其温度必须被感测出来以提供热保护。当采用分立MOSFET开关的时候，必须安装热传感器以便它直接与MOSFET接触，这通常需要一些手工安装的步骤。然而，当MOSFET与控制器一道被集成在同一晶圆上的时候，控制器可以直接感测MOSFET温度。这就省略了把热传感器连接到分立MOSFET时所需要的手工安装步骤。

支持转换器通常所需要的其它一些功能是：启动、软启动、自动重启动、欠压锁定(UVLO)、过压关断以及MOSFET电流检测和限流。

启动：

一旦转换器开始工作，它通常从主变压器上的辅助绕组向PWM控制芯片提供电源。然而，当电源首次被施加到转换器时，辅助电源没有电，必须利用附加电路向控制器提供初始工作电流。当初始供电电路被集成到控制器IC之中时，工程师既不需要参与其设计，也不需要担心其正确的工作，特别是如果该电路需要非常少的外部元器件实现正常工作的话。这就缩短了设计周期，与此同时，也减少了元器件的数量。

软启动：

集成启动电路也可以被设计为缓慢"松开"转换器使其进入完全工作。在软启动期间，开关占空比最初非常低，并在开始工作的最初几毫秒期间缓慢增加。这就减轻了对各种电源元器件的压力，使它们的寿命更长。

自动重启动：

高可靠性和稳定性工作要求防止转换器或负