追求高功率PD與電力備份　應用PoE通道分享電力

2007-09-28

Youhao Xi/Craig Varga/Kim Neilson

由於PoE的應用愈趨多元，自然也帶來更多挑戰，諸如高功率的受電裝置與電力備份等。也因此衍生出電力備份技術，透過兩個電力通道，完成彼此支援，或是支援高功率應用的目標。

在乙太網路供電(Power over Ethernet, PoE)的相關應用中，電力乃透過供電端設備(Power Sourcing Equipment, PSE)，利用乙太網路電纜架構，傳送到受電裝置(Powered Device, PD)上。但由於電纜線的電流承載能力有限，因此國際標準IEEE STD 802.3af規定，經由一個通道(即兩條雙絞線傳送到PD的最大功率為12.95瓦。但是，由於有些PD需要更多的電力才能運作，而為了支援類似的高功率受電裝置，可以採用兩個相同或不同供電端連接的PoE通道。不過，兩個通道之間通常需要某種型式的電力分享，以免任何通道超過規定的最大電力限度。

除了高電力的需求之外，PD電力備份則是另一種需要兩個電力通道的應用型式，其典型的應用包括支援金融熱線或安全設施。PoE備份支援之特色在於，當兩個電源供應同時存在時，電力分享則可於兩個PoE通道間分享負載，並降低電纜線整體傳輸損失。

若兩個通道都來自於不同的的供電端設備，則兩個相互隔離的通道間將不容許直流對直流(DC-DC)轉換器的基本電力分享，且須在絕緣變壓器上採取輔助電力分享方式。要完成這項工作，可以運用兩種絕緣PoE通道間的輔助電力分享方式，為兩個模組的輸出埠串聯方式，或模組輸出的並聯方式。茲分述如下：

串聯方案操作簡易

圖1　具有串聯二次側電路之電力分享方案

圖1為兩個PD模組輸出埠以串聯方式連接的電力分享方塊圖。每一個模組皆透過一個PoE通道導電，並且各模組的輸出電壓均設定為總輸出電壓的一半。因為相同的負載電流都流經這兩個輸出埠，所以各模組將分享其中一半的電力，達成兩個PoE通道間平均電力分享，稱為串聯之二次側(Secondaries in Series)。

此方案的優點在於操作簡易，由於兩個獨立的PD模組可以直接連接，而且對於較高輸出電壓的PD應用也表現良好。不過，該方式若有一個通道失效時，將會失去輸出穩壓，所以不能作為電力備份，同時當輸出電壓相對較低時，整體的效率也會降低。

方案1容差的分享準確率，將視兩個模組之輸出穩壓容差而定。在大部分絕緣PD設計中，一個模組的輸出穩壓能夠輕易地控制在2%以下。因此，兩個通道間的電力分享可以達到±2%的準確率。

並聯方案可收備份之效

圖2　具有並聯二次側電路之電力分享方案

圖2為兩個PD模組的輸出埠，以並聯方式連接的電力分享方塊圖，稱為並聯之二次側(Secondaries in Parallel)。此種方式的優點在於可實現電力備份：當其中一個PoE通道失效時，另外一個通道可立即恢復全部的電力供應。雖然在備份電力應用中可能不需要準確的電力分享，但仍為一項重要的特點，因為在兩個通道都通電時，模組的電力傳輸損失可減小。

在方案2中，每一個PD模組的輸出電壓都設定為最終輸出電壓。因為穩壓容差的緣故，這兩個模組的輸出電壓可能會有些許的不同，這需要一個額外電路來幫助調整一個模組的輸出電壓，並使其與另一個模組一致，使總電力能夠平均由兩個通道分享。

圖3為方案2之電力分享控制電路的一個實際操作，圖中兩個PD模組是以主從式(Master-slave)組態配置。分享控制電路包含有：兩個相同Rs值的電流感測電阻、在測試電路中使用1K的四個電阻，以用來監測電流差異、一個高精確率的誤差放大器、兩個10nF的電容器，用來濾除高頻雜訊以及平衡運算放大器的輸入阻抗一個電阻(R_C)，可將目前的誤差訊號(V_CFB)回饋到從屬控制電路，因此可調變從屬輸出以達到均衡的電力分享。

圖3　方案2之電力分享控制電路的實作

電流感測電阻決定輸出電流

兩個模組的輸出電流作業原則是由兩個電流感測電阻來監控。電力分享誤差(電流差)則由分享誤差放大器加以放大。放大後的誤差訊號經由R_C被送到從屬模組的反饋電路，平衡電子分享而對從屬輸出電壓進行調變。

為了將分享誤差降至最低，在設計印刷電路板(PCB)時，重要的是必須將分享控制電路的擺置與接線對稱。感測電阻的絕對值並不重要，重要的是一個良好的比率匹配(Ratiometric Match)。同時，如果輸出電壓落在放大器一般模式的上限內，在橋接器中的兩個較低電阻或可除去，但仍建議保留電容器於光罩(Layout)上。

根據電流誤差訊號V_CFB的狀態，從屬輸出會隨之向上或向下調整，以平衡電力分享。對PoE備份而言，方案2必須允許其中一PoE通道單獨支援最大功率負載達12.95瓦。當所謂的從屬通道發生失效時，主模組將會支援負載。另一方面，當主通道失效時，從屬模組也應能夠支援負載，而當它於方案2中單獨作業時，從屬模組的輸出則必須符合設計規範。

假設模組的輸出電壓感應器分流器包括R_A和R_B，則從屬模組的輸出電壓由下式公式決定：

可以看出改變V_CFB，從屬輸出電壓將會向上或向下調整，並由主輸出端來補償輸出電壓差，因而達到均衡的電力分享。V_CFB的變化範圍是從開始到最終輸出電壓，因此，R_C的選擇受到了下列估測範圍的限制：

其中△V_Lo和△V_Hi分別為與額定輸出電壓間可容許的最大高低端偏差。

當從屬模組單獨作業時，為了避免大量的電壓降低並維持輸出電壓在最小的限制內，在模組電壓設定電路上應選擇具有較嚴格容許度的元件。由於大部分的穩壓誤差都起源於元件的初始容差，因此使用嚴格的容差參考及分流器電阻，可將電流分享放大器所需更正的調整範圍降至最低。

PD模組帶來內部電力損失

要注意的是在這兩種方案中都會強制輔助電力分享。但各PoE通道的電力同時也包含PD模組的內部損失，內部損失包括PD模組DC-DC轉換器的傳輸損失、切換損失與磁損(Magnetic Core Losses)。這些內部損失的差異，也會引起兩個PoE通道輸間額外的電力分享誤差。

用兩個不同的PD模組，或可證明上述觀念。在實驗中，分別使用LM5071與LM5072的評估板，兩個PD模組都設為3.3伏特。圖4為方案1中受測電路的圖片，其中兩個PD模組是由其輸出埠串聯起來使用，而每一個通道都與一個PSE埠連接。

圖4　方案1中的測試電路

圖5則顯示方案1電力分享誤差的結果。當總電力超過3瓦時，誤差會低於2%，當總電力約為16瓦時，誤差為最小。這是因為上述的內部損失在中電力範圍時最小，並且將兩個通道間的分享誤差所產生的效應降為最小。當總電力低於3瓦時，誤差會急劇地增加，這是因為在兩個模組中的內部電力損耗差異較為明顯，且兩個模組間的實際輸出電力的分享誤差影響大為降低。