【導讀】與傳統交流電源相比，以太網供電（PoE）電源可以通過現有以太網電纜同時供電并傳輸數據。通過將電源線與數據線集成在一起，PoE 應用能夠實現高性價比以及靈活的安裝。隨著應用對電力需求的不斷增長，PoE 解決方案在眾多行業中迅速普及。
本系列的兩篇文章將探討如何為 PoE-bt 應用設計有源鉗位正激控制器。本文為上篇，介紹PoE 應用以及正激變換器拓撲和有源鉗位的基礎知識。
以太網供電 (POE) 的發展歷程
圖 1 顯示了 PoE 功能的演變歷程。最初的PoE出現于2003年，它只能為設備提供最大13W的功率，稱之為802.3af協議。但13W終究無法滿足日益增長的功率需求，因此2009 年，802.3at 協議應運而生。該協議改進了電壓和電流規格，提供高達 25.5W 的功率。最近的802.3bt 協議于 2019 年發布，它提供高達 71W 的功率，以應對PoE 應用蓬勃的發展。
圖1: PoE的演變歷程
大多數 PoE 解決方案都由兩部分組成：受電設備 (PD) 和供電設備 (PSE)（見圖 2）。雖然PSE和PD都從交流電源獲取電力，但PSE 的行為類似電源，而PD則純粹消耗電力。為確保PSE能為PD供電，PoE通過一個握手流程防止PD連接到協議不兼容的PSE設備上，從而保護PD免受損壞。
圖2: PoE的主要組成
典型的PSE設備包括網絡交換機和路由器，而典型PD設備則包括IP 電話、安全攝像頭和基站。MPS 提供滿足802.3af/at/bt協議的全面解決方案，這些方案涵蓋協議、DC/DC 控制器、集成協議和電源 IC，并針對不同功率級別的應用。例如MP80xx 系列產品，均為高度集成且兼容802.3af/at/bt協議的DC/DC變換器和控制器。
以 MP6005為例，這是一款支持當前所有PoE 協議設計的DC/DC 控制器，它采用低端有源鉗位電路，可同時用于反激和正激拓撲并從PSE 傳輸功率。
拓撲結構比較
PoE 應用中常采用隔離電路來提高安全性與可靠性。反激和正激變換器的隔離電路通常都具有低于100W的功率。圖 3 顯示了基本反激拓撲（左）和基本正激拓撲（右）的常見隔離電路。
圖3: 反激和正激變換器中常見的隔離電路
與反激變換器相比，正激變換器在變壓器的開關過程中不需要能量存儲。因此，由于功率器件上的電流應力較小，所以效率更高。但是，正激變換器需要更多的開關器件，因而成本更高。
正激變換器非常適合具有低電壓和大輸出電流的應用。而且，正激變換器還常常添加原邊有源鉗位電路和副邊同步整流電路以進一步提高其效率。表 1對有源鉗位反激變換器和正激變換器之間的尺寸和成本進行了比較。
表1: 反激變換器與正激變換器的比較
正激變換器設計
圖 5 顯示了由變壓器實現隔離的正激變換器拓撲結構，其中QMAIN 是主開關，QAUX是輔助開關，QF 是副邊續流 MOSFET，QR 是副邊整流 MOSFET，LO是輸出電感。
圖5: 正激變換器拓撲
有源鉗位
隔離電路中常見的鉗位電路包括RCD鉗位和有源鉗位。在RCD 鉗位電路中，磁化電感（以及部分漏感）中的能量通過 RCD 中的電阻耗散，這會降低拓撲的整體效率。而主MOSFET 上的高壓尖峰不僅會導致電磁干擾 (EMI) 問題，還會造成副邊同步整流MOSFET 上產生問題。我們將在下一篇文章中對此進行詳述。
有源鉗位電路克服了RCD鉗位電路的缺點，它不僅可以恢復磁化電感和漏電感的能量，還可以抑制主開關 MOSFET 上的電壓尖峰。輔助開關還可以采用軟開關模式工作來提高效率。根據輔助MOSFET的位置，有源鉗位電路可分為高端和低端組件。例如，MP6005就采用了低端有源鉗位電路。
當原邊主 MOSFET關斷時，開關電壓由磁化電感的復位電壓和鉗位電容電壓組成。較大值的鉗位電容器對應于較低的開關電壓幅度、較低的鉗位電容器諧振頻率和較低的磁化電感。因為控制回路的帶寬通常設置為諧振頻率的五分之一至三分之一之間，所以鉗位電容不能太大，否則會影響控制回路的響應速度。
總結
在本文中，我們回顧了PoE解決方案的演變歷程及其主要組件，比較了反激和正激變換器拓撲，以及常見的鉗位電路，包括有源鉗位電路。 本系列的下一篇文章 將更加深入地探討副邊同步整流MOSFET、副邊尖峰吸收電路以及PoE-bt應用的效率驗證過程。
來源：芯源系統
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