高能效的以太网供电方案解决达 100 W 功率需求的应用挑战

2020-06-29 15:07

网络规模的激增使得相应设备对功率的需求显著增长。以太网是这技术生态系统的关键一环。新的以太网供电 (PoE) 通用标准 (IEEE 802.bt) 提供高达90瓦的功率,安森美半导体的PoE-PD方案不仅支持新标准的功率限制,还将功率扩展到100 W,解决高功率需求挑战,用于包括智联照明、安防摄像、数字标牌、电信、销售点(POS)终端、卫星数据网络等应用,并具备灵活、高性价比和高能效等优势。

什么是 PoE 和 IEEE 802.3bt?
PoE 是 IEEE 802.3af 和 802.3at 标准定义的一种联网功能。PoE技术可通过以太网电缆传输电力和数据。通过供电设备(PSE)和受电设备(PD)之间的连接来管理传输的电量。在此过程中,PSE 根据 PoE 标准识别 PD 设备的类型和类别,然后确保其接收适当且安全的电量。 

IEEE 802.3bt 是新的 PoE 标准,也称为“PoE++”,于2018年9月获批,兼容 IEEE 802.3af 等现有标准,与现有标准有两个不同的关键点:
1.使用 PoE 电缆中的所有四对导线增加 PSE 可提供的输出功率
2. 通过识别两种新的设备类型(3类和4类)和四个新的类别(5至8) 来提高能效

 标准  功率-PSE输出  功率-PD输入

 可用于应用的功

率(85%能效)

 802.3af (PoE)  15.4 W  13 W  11 W
 802.3at (PoE+)  30 W  25.5 W  21.6 W
 802.3bt (PoE++)  90 W  71.3…90 W  21.6 W…76.5 W

安森美半导体最近推出的 PoE-PD 方案
不断上升的能源成本、对更小方案的需求、需要符合多个标准及解决受限的预算等等给设计人员提出了一系列挑战。安森美半导体采用其独特的高压制造工艺,开发出更先进的  PoE-PD 方案以解决挑战,这些方案在紧凑的空间内以高能效和低热量运行。

1)GreenBridge™ 四通道 MOSFET 方案替代二极管桥方案显著提高 PoE 能效
PoE 应用中的 PD 需要一个桥接电路来调节输入电源的极性,而为 PD 供电的 PSE 配备了不间断电源(UPS)。 简单的二极管桥设计虽然已成为解决此问题的最流行方法,并且提供了可靠、低成本的方案。 但随着 PD 需要更多的功率,由正向压降引起的二极管桥的导通损耗成为有待解决的主要问题之一。 安森美半导体针对此问题开发出 GreenBridge 方案 FDMQ8203 (Greenbridge™ 1)和 FDMQ8205 (Greenbridge™ 2),可有效减少桥电路中的功率损耗。

FDMQ8203 集成双P沟道和双 N 沟道 MOSFET 到一个紧凑、热性能优化的表面贴装封装中,采用 FDMQ8203 设计仅需添加外部驱动和保护电路以驱动和保护 MOSFET。经测试,基于 FDMQ8203 的 GreenBridge 方案比等效的二极管桥提供更低功率损耗、更高能效、更低工作温度,PCB 面积减半,如图1所示。



图1:GreenBridge™ 1 方案对比二极管桥方案的功率损耗和能效

FDMQ8205 符合 IEEE802.3at 标准,集成双 N 沟道和双 P 沟道100 V MOSFET 及所需的门极驱动器,无需外部驱动或保护电路,具有市场最低的导通电阻。基于 FDMQ8205 的 GreenBridge 方案比传统二极管桥方案的功率损耗改善10倍,尺寸不到传统二极管桥方案的1/4,且实现比 FDMQ8203 更好的热性能,有助于提高设计的功率密度。



图2:GreenBridge™ 2 方案对比二极管桥方案的功率损耗和能效

2)符合 IEEE 802.3bt 的 PoE-PD 接口控制器:NCP1095 和 NCP1096
NCP1095 和 NCP1096 符合 IEEE 802.3 bt 标准,提供达100瓦功率,具有实施 PoE 接口所需的所有特性,包括检测、自动分类和限流。NCP1095 具有外部导通晶体管,支持自动分类以根据 PD 类型和分类来优化功率分配。NCP1096 提供更高的集成度,内置热插拔 FET 晶体管,具有 Type 3 或 Type 4 PoE 控制器可提供的最低导通电阻(RDS-on)。安森美半导体提供 NCP1095GEVB 和 NCP1096GEVB 评估板,使设计工程师可以快速评估两个控制器的运行,然后实施有助于设计流程的物理设计。 它们包括 GreenBridge2 有源桥、RJ45 连接器和局域网(LAN)变压器。




图3:NCP1095/NCP1096 及其评估板

3)100 V N 沟道屏蔽门极 PowerTrench® MOSFET:FDMC8622
FDMC8622 采用先进的 PowerTrench® 工艺,结合屏蔽门极技术,可实现极低的导通电阻、高功率和高电流处理能力,且采用广泛使用的表面贴装封装,100% 经过 UIL 测试。

4)DC-DC 控制器:NCP1566
NCP1566 是高度集成的双模式有源钳位 PWM 控制器,用于电信和数据通信应用的下一代高密度、高性能和中小功率级隔离 DC-DC 转换器。它可以配置为带输入电压前馈的电压模式控制,也可配置为峰值电流模式控制。峰值电流模式控制也可实施输入电压前馈。可调节自适应重叠时间基于输入电压和负载条件优化系统能效。此控制器集成了实施隔离有源钳位正向和不对称半桥转换器所需的所有必要控制和保护功能。 

5)高压瞬态抑制、ESD 保护:ESD8004
ESD8004 用于为高速数据线提供针对 ESD 的保护,具有超低电容和低 ESD 钳位电压,是保护对电压敏感的高速数据电路的理想方案。

为何采用 PoE?
虽然无线联接提供许多显著优势,但技术生态系统中使用的所有设备所需电源和数据要求千差万别,可能某些设备具有很好的无线联接能力,但还有一些会得益于 PoE 的特性和能力,而且 PoE 提供许多优势,如:
  • 节省时间和成本:由于不需要电源线,因此节省了安装时间,减少了成本,且无需合资质的电工。
  • 灵活性:无需靠近电源。 设备可放置在可以运行局域网(LAN)电缆的任何地方。
  • 可靠性:集中式电源取代了低成本的壁式适配器,支持系统由单个不间断电源供电。
  • 安全性:比无线更难被黑客入侵或拦截
  • PoE 能够同时传输电力和数据,减少了线束,高效便利

总结
新的 PoE 标准 IEEE 802.3bt 支持设计人员向 PD 提供达 90 W 的功率,开启更高功率应用的大门,包括智联照明、安防摄像、数字标牌、电信、销售点(POS)终端、卫星数据网络等应用。安森美半导体提供全系列符合 IEEE 802.3bt 的 PoE-PD 方案,还将功率扩展到 100 W,并提供大量参考设计和应用注释,解决能效、尺寸和热性能等挑战,使这项技术更容易广及所有开发工程师,有助于使更多联接的设备具有保证的互操作性和更高能效。

关于安森美半导体

安森美半导体(ON Semiconductor,美国纳斯达克上市代号:ON)致力于推动高能效电子的创新,使客户能够减少全球的能源使用。安森美半导体领先于供应基于半导体的方案,提供全面的高能效电源管理、模拟、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件阵容。公司的产品帮助工程师解决他们在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、医疗、航空及国防应用的独特设计挑战。公司运营敏锐、可靠、世界一流的供应链及品质项目,一套强有力的守法和道德规范计划,及在北美、欧洲和亚太地区之关键市场运营包括制造厂、销售办事处及设计中心在内的业务网络。更多信息请访问http://www.onsemi.cn

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