以太网供电应用中可用设备功率的估算

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许多现有的以太网设备都从采用墙上适配器电源转向采用新推出的 IEEE 802.3af 以太网供电 (PoE) 标准。过去采用墙上适配器时,电源系统效率不算是大问题,但采用 PoE 情况却有所改变。功能电路开始从 10W 范围汲取电能的应用需要严格控制用电。
一旦执行 802.3af 标准要求的功能,首先,我们将确定可用的净功率。其次,我们将介绍常见 DC/DC 转换器的建模方法,计算出应用电路可用的功率,并将给出两种拓扑范例进行比较。建模过程使设计人员能在设计最初的电路前明确拓扑方式与技术问题。


PoE 前端损耗
图 1 给出了基本的结构图,显示了电源设备 (PSE) 通过DC/DC 转换器与应用电路的互连。相关计算得出了表 1 所示的结果,计算中假定 PSE 输出(最低 44V)通过 20Ω 线缆连接至 PD。PD 前端带有变压器(总共 1Ω,中心抽头两侧各 0.5Ω)、全波网桥以及串连 1Ω 开关 (FET) 的热插拔控制器(即 PD 控制器)。



表 1 PoE 配电与前端损耗分析



PD 功能电路最大可用功率为 12.16 W。802.3af 标准规定的线缆损耗在最糟糕情况下为 2.45 W,而输入二极管桥路决定着前端额外损耗为 0.78 W。



图 1,基本 PoE 结构图 



 功率转换级建模
简单建模技术帮助设计人员在进行实际设计前了解不同拓扑与技术选择的效果。简单的效率假定可提供快速定性结果,可进行拓扑比较与优化。最终结果可能与假定的相比没有什么偏差,因此设计人员始终应规定可用功率低于上述结果,留有一些余量。
首先,我们不妨来看看一个单级转换器至一个输出电压的基线。效率达 90% 的 3.3V 单输出转换器将产生 0.9×12.16 = 10.9W 的可用输出功率。尽管 90% 的效率可能偏于乐观,但它确实提供了一个与其它拓扑进行比较的基线。
其次,我们将估计更复杂电源提供的输出功率。我们用简单建模技术来研究每个稳压器的拓扑与技术如何影响输出功率。我们假定电流为 0.2A、2A、0.25A、0.25A 时,输出电压分别为 +5V、3.3V 、2.5V、1.8V。这样合计得到的合理功率为 9.6W。
图 2 显示了两种可能的电源架构与技术选择。拓扑 1 说明了现有设备设计的调整情况,其 12V 墙上适配器用 48V 至 12V 的前端替代。拓扑 2 试图使可用功率最大化。



图 2,两种电源拓扑选择方案

 

为了评估该模型,我们从最右边的稳压器开始,计算其损耗与总输入功率,随后使用上述结果评估其左边的下一个稳压器。为了简单起见,我们假定开关效率为 90%,且线性稳压器没有偏置电流。以下总结了各稳压器类型的计算结果。
 定义
IOUT = 应用负载电流
PIN_Next_Stage = 下行转换器或线性稳压器汲取的功率
  线性稳压器级
POUT=(VOUT×IOUT)+P
IN_Next_Stage
  PIN=VIN× POUT/VOUT
  PLoss=PIN-POUT
  开关稳压器级
POUT=(VOUT×IOUT)+P
IN_Next_Stage
  PIN= POUT/Effiviency
PLoss=PIN-P
OUT



表 2,拓扑 1 模型



  用表 2 中的数据,我们对图 2 所示的拓扑 1 模型进行计算。我们不妨来看看表 2 中链 1 下面部分的数据,从 1.8V 稳压器的输入功率与损耗开始;我们注意到这里没有下一级功率。2.5V 稳压器的计算与此类似,这里的输出功率包括到负载的 0.25A 乘以 2.5V,加上之前计算得出的 1.8V 稳压器的输入功率。3.3V 开关稳压器的输入功率是总输出功率除以该级的效率 (0.9%)。 3.3V 稳压器的功耗仍为输入功率减去输出功率。上部分的计算方式类似链 2 数据。48V 至 12V 稳压器的参数与 3.3V 稳压器的计算类似,这里的总输出功率为上部与下部输入功率之和。为了掌握该拓扑的性能,我们将各部分损耗加在一起,视在效率计算如下:
效率=1-Total-Losses/Input-Power
表 2 中可用的输出功率为输入功率减去所有计算得出的各部分损耗。
拓扑 1 的输入功率超出了可用量。为了给出更有趣的结果,我们对所示的 3.3V 负载进行调整,直到输入功率为 12.16W 为止。表 2 中的黑体数值反映了 3.3V 电源负载从 2A 降至 1.83A 的情况。
拓扑 2 用表 3 中数据建模的方式与拓扑 1 类似,不过略有不同。一个虚拟的 3.3V 稳压器建模时效率为 1,以得出正确的功率与损耗的总数。



表 3,拓扑 2 模型



  拓扑 2 中 48V 至 3.3V 转换器所用的 90% 的效率就实际的同步输出整流器电路而言是相当乐观的数 值。


结论
考虑 802.3af 标准功能之后,12.16W 是其它电子设备可用的最大功率,包括稳压器损耗。
PoE 应用的拓扑与技术选择的影响相当惊人。拓扑 1仅向应用电路提供 8.11W 的功率,而拓扑 2 可提供 10.43W 的功率,提高了 28%。如果基线单输出转换器为 10.9W,那么拓扑 2 中所有额外三个输出处理只消耗 0.47W!3.3V 转换器采用二极管输出转换器(85% 的效率)代替同步整流器,这使可用功率降低 0.61W。
该建模技术使得设计人员可根据拓扑与技术选择迅速计算可用的输出功率,并使用该信息在可用功率、复杂性与成本等各因素间进行综合平衡。

  为了评估该模型,我们从最右边的稳压器开始,计算其损耗与总输入功率,随后使用上述结果评估其左边的下一个稳压器。为了简单起见,我们假定开关效率为 90%,且线性稳压器没有偏置电流。以下总结了各稳压器类型的计算结果。


结论
考虑 802.3af 标准功能之后,12.16W 是其它电子设备可用的最大功率,包括稳压器损耗。
PoE 应用的拓扑与技术选择的影响相当惊人。拓扑 1仅向应用电路提供 8.11W 的功率,而拓扑 2 可提供 10.43W 的功率,提高了 28%。如果基线单输出转换器为 10.9W,那么拓扑 2 中所有额外三个输出处理只消耗 0.47W!3.3V 转换器采用二极管输出转换器(85% 的效率)代替同步整流器,这使可用功率降低 0.61W。
该建模技术使得设计人员可根据拓扑与技术选择迅速计算可用的输出功率,并使用该信息在可用功率、复杂性与成本等各因素间进行综合平衡。