CC BY
48Компоненты и технологии, № 4'2005 Компоненты
Новейшее решение для питания устройств через Ethernet
при помощи микросхемы LM5070 фирмы National Semiconductor
Питание устройств через Ethernet (Power over Ethernet, PoE) — технология, позволяющая как осуществлять питание конечных устройств, так и передавать данные при помощи стандартного кабеля Ethernet. Эта технология находит свое применение для таких изделий, как IP-телефоны, камеры видеонаблюдения, точки доступа беспроводных сетей и даже музыкальных инструментов. В статье рассматривается практическое применение микросхемы LM5070 — новейшего устройства, позволяющего осуществлять питание электронных приборов через Ethernet.
Мишель Склоччи, Дмитрий Василенко
DVasilenko@pec.spb.ru
Введение
Решения с питанием через Ethernet (РоЕ) становятся все более и более популярными благодаря тому, что устройства с РоЕ не требуют локальных источников питания, подключаемых к стандартным сетям. Это позволяет существенно снизить стоимость системы. Источники питания, подключаемые к Ethernet, как правило, являются бесперебойными (UPS), что очень важно для IP-телефонов, для которых гарантируется более высокая надежность и устойчивость к нестабильностям в электрических сетях. Широкое применение коннекторов RJ-45 обеспечивает совместимость устройств РоЕ практически во всем мире. Наконец, устройства с РоЕ обладают уникальными возможностями экономии энергии — технология позволяет отключать удаленные приборы на расстоянии. Согласно исследованию фирмы Venture Development Corp., глобальный рынок
110
устройств с РоЕ вырастет с 133 млн изделий в 2004 году до 246 млн в 2007-м.
Технология РоЕ позволяет питаемому устройству (ПУ) получать энергию через простой кабель Ethernet. Прибор подачи питания (ППП) производит ряд точных измерений для определения соответствия ПУ стандарту РоЕ, и в случае соответствия ППП подает 48 В на питаемое устройство (см. рис. 1).
Режим работы ПУ, совместимый со стандартами IEEE
Институт IEEE одобрил стандарт питания через Ethernet PoE в июне 2003 года. В результате выпущен стандарт IEEE802.3af, на основе которого возможно создание системы подачи энергии по стандартному кабелю без ущерба передаваемым данным. Стандарт определяет порядок передачи 48 В постоянного тока по одной из двух витых пар кабеля категории 5e. В стандарте определены четыре класса мощности, передаваемой в нагрузку (в ПУ). Диапазон значений мощности — от 4 до 15,4 Вт.
Рассмотрим стадии работы системы с РоЕ. В стандартном случае их три: определение присутствия ПУ (discovery), классификация ПУ и операционная фаза (см. рис. 2).
На начальном этапе ППП определяет присутствие ПУ при помощи измерения импеданса кабеля (так называемая подпись). В случае, если сопротивление ПУ находится в пределах от 23,75 до 26,25 кОм (25 кОм ± 1%), ППП посчитает ПУ подключенным к кабелю. Для измерения резистивного импеданса ППП генерирует два напряжения (2,8 В и 10 В), на которых измеряется ток в нагрузке. Меньшее напряжение — 2,8 В позволяет избежать влияния нелинейных эффектов, связанных с диодным интерфейсом ПУ. 10 В — максимальное напряжение, на котором мож-
-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 4'2005
Компоненты
Напряжение 42 В
ЗОВ
і Определение импеданса 25 кОм
15,5В 10В 2,8 В
Классификация: постоянный ток, 4 уровня, макс/40 мА
III I
--t---1-1--------Ь-
[Юіассификация
—І----------------------—
Обнаружение 500 мС
Включение 400 мС
Рис. 2. Режимы определения ПУ, классификации и приложения номинального напряжения
Классификаї. ^ 75 мС
но обеспечить безопасное включение практически любого питаемого устройства.
ППП также определяет входную емкость ПУ при помощи измерения нарастания напряжения на нагрузке. Измеренная емкость должна быть в пределах 0,05 и 0,12 мкФ.
Для предотвращения ошибок при измерении импеданса нагрузки в рассматриваемом нами чипе LM5070 применяется специальный алгоритм — блокировка при высоком напряжении (under voltage lockout, UVLO). Данная блокировка позволяет дождаться окончательного напряжения до момента начала зарядки входного сопротивления и старта регулирования выходного напряжения.
Перед включением питания опционально возможна классификация ПУ для индикации класса мощности оборудования. Данная функция полезна для лучшего распределения питания на несколько ПУ. В случае классификации ППП генерирует напряжение в пределах 15,5 и 20,5 В и измеряет ток в нагрузке. В зависимости от измеренного тока ПУ подразделяются на четыре класса (см. таблицу).
После определения присутствия и класса мощности ПУ стартует фаза подачи энергии в питаемое устройство. У микросхемы LM5070 в этот момент снимается блокировка UVLO. Как только блокировка снимается, интерфейс
Таблица. Класс ПУ в зависимости от измеренного тока в нагрузке
Класс ПУ Минимальная мощность в нагрузке, Вт Максимальная мощность в нагрузке, Вт Минимальный ток в нагрузке, мА Максимальный ток в нагрузке, мА м О wf 5 о ае
0 0,44 12,95 0 4 Откр.
0,44 3,84 9 12 150
~Т 3,84 6,49 17 20 82,5
~г 6,49 12,95 26 30 53,6
резерв резерв 36 44 38,3
микросхемы LM5070 заряжает входное сопротивление импульсного источника питания. Для работы в контролируемом режиме встроенный силовой МОП-транзистор ограничен по току (не более 420 мА) с программируемым порогом тока включения от 100 мА до 375 мА.
Особенности микросхемы LM5070
Чип LM5070 производства National Semiconductor в полной мере реализует все режимы работы системы РоЕ. LM5070 является РоЕ-контроллером с ШИМ-модуляцией тока (рис. 3).
Основные особенности микросхемы LM5070, позволяющие быстрее и проще создавать новые изделия:
• Микросхема представляет собой комбинацию полностью совместимого с IEEE 802.3af интерфейса с ПУ и высокоэффективного контроллера, работающего в токовом режиме.
• Есть возможность запрограммировать входной импеданс, ток включения, ток классификации и границу блокировки при большом напряжении.
• Микросхема обладает защитой от перегрузок по току при включении и во время работы, а также от температурных перегрузок.
• Разработчик имеет возможность запрограммировать при помощи двух внешних резисторов границу срабатывания и гистерезис блокировки при большом напряжении.
• Интрефейс с ПУ и DC/DC-конвертер полностью интегрированы внутри LM5070 и взаимодействуют без внешнего влияния.
• LM5070 позволяет создать изолированную и неизолированную конфигурацию источника питания: для изолированной конфигурации предусмотрен вход с оптопары, а для неизолированной — источник опорного напряжения и усилитель ошибки.
• Сопротивление подписи отключается после определения подключения ПУ для снижения энергетических потерь.
Типовые решения для РоЕ-конвертера
Высокий уровень интеграции LM5070 позволяет создать источник питания, совместимый со стандартом IEEE802.3af, при небольшом количестве внешних компонентов. В качестве минимального решения предлагается схема неизолированного источника питания с топологией flyback (рис. 4). Для нее помимо микросхемы LM5070 дополнительно требуются только силовой МОП-транзистор (Si4848, 150V/3A), силовой трансформатор с одной первичной и вторичной обмотками, один диод для выпрямления выходного напряжения, входная и выходная емкости.
Как известно, для повышения контроля выходного тока, снижения энергетических потерь и регулирования выходного напряжения в топологии flyback применяют схему ШИМ-модуляции с контролем в токовом режиме. Данный режим осуществляется при помощи изменения рабочего цикла ключевого транзистора. Данный рабочий цикл определяется
Компоненты и технологии, № 4'2005
Компоненты
по ошибке выходного напряжения и пилообразного напряжения, генерируемого при прохождении тока первичной обмотки трансформатора через внешнее сопротивление.
Циклическая граница тока определяется из сравнения измеренного тока на сопротивлении и внутреннего опорного напряжения. Возможная нестабильность из-за возбуждения на гармониках высших порядков для рабочего цикла более 50% компенсируется при помощи внутреннего алгоритма коррекции нарастающего тока.
На основе микросхемы LM5070 можно реализовать источник питания с гальванической развязкой. На рис. 5 представлено одно из возможных решений такого рода: схема изолированного источника питания на основе LM5070 с программируемым классом устройства и ограничением тока включения. В систему также встроена дополнительная токовая защита при помощи трех различных токоограничивающих схем и функции температурной защиты:
1. Программируемая функция защиты от высоких токов ограничивает токовые выбросы во время фазы включения.
2. В случае превышения током, текущим через встроенный МОП-ключ, значения 375 мА сигнальный усилитель переводит силовой МОП-транзистор в режим насыщения. Напряжение на выводе RTN начинает расти до значения VEE+2,5 В. Как только граница достигается, флаг PowerOK сбрасывается в 0, и контроллер переводит систему в нормальный режим.
3. Температурное ограничение добавляет дополнительный уровень защиты от ошибок и любых событий, способных вывести систему из рабочего состояния.
В добавление заметим, что фирма Coilcraft специально для LM5070 разработала SMD-трансформаторы, оптимизированные для максимальной эффективности системы. ММ
Литература
1. Стандарт IEEE 802.3af
2. Signoretti B., de Nicolas J. Power supply design for Power over Ethernet powered devices. http://www.national.com/onlineseminar/ 2004/poe/poe.html.
3. Техническая документация на LM5070.
112
www.finestreet.ru
