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A Triple-Output ±5% Regulated High Efficiency POE (Power over Ethernet) Supply

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描述

概述

POE电源的最大输入功率取决于受电设备(PD)的功率分级。对于0级PD,最大功率为12.95W;1级PD的功率为3.85W。本应用笔记介绍了一个三输出、功率为3.12W、具有±5%稳定输出的高效POE电源。

电源的关键特性

  • 275kHz开关频率
  • 符合IEEE802.3af电源标准
  • 在一个16引脚SO封装内集成了符合IEEE802.3af标准的POE接口和PWM控制器(MAX5941A)
  • 反激型拓扑结构
  • 同步整流输出
  • 交流隔离电压达1500V的隔离输出
  • 所有输出稳定在±5%以内
  • 输出:+3.3V (0.2A)、+2.5V (0.6A)和+1.2V (0.8A)

电源工作原理

图1电路是利用符合IEEE802.3af标准的POE接口和PWM电流模式控制器(U2) MAX5941A构成的三输出POE电源。电源的3.3V和2.5V输出采用同步整流反激拓扑结构,1.2V输出由同步整流降压转换器从3.3V降压产生。电路原理图中没有包含输入部分的二极管整流桥。

符合IEEE802.3af标准的POE接口部分

MAX5941A IC中一半用于产生POE接口。二极管整流桥的直流输出加在电容C10的两端。齐纳二极管D4用于防止MAX5941A出现过压。MAX5941A的内部热插拔MOSFET会在39V时导通,并缓慢地将C6充电到40V。MOSFET的导通限制了浪涌电流。当C6几乎被充满到输入电压时,PGOOD信号变为高电平。R10为PD侦测电阻,R25为分级电阻。

PWM控制部分

MAX5941A的另一半电路为PWM控制部分。当电源作用到PWM部分时,PWM控制器开始工作。软启动电容C14缓慢升高功率变压器的原边峰值电流。

图1. 电源的原理图

图1. 电源的原理图 (下载PDF)

电源元件列表

Designator QTY Description
C1, C5, C7 3 Ceramic capacitor 100µF, 6.3V, X5R, 10% (1210)
C10 1 Ceramic capacitor 0.1µF, 100V, X7R, 20% (1206)
C11 1 Ceramic capacitor 0.47µF, 16V, X7R, 20% (0805)
C12, C15, C17, C19, C20 5 Ceramic capacitor 0.1µF, 16V, X7R, 20% (0603)
C13 1 Ceramic capacitor 4700pF, 100V, X7R, 20% (0603)
C14 1 Ceramic capacitor 1000pF, 50V, X7R, 20% (0603)
C16 1 Ceramic capacitor 0.033µF, 25V, X7R, 20% (0603)
C18 1 Ceramic capacitor 47pF, 50V, COG, 20% (0603)
C2   Electrolytic capacitor 4.7µF, 35V
  1 Panasonic EEVFK1H4R7R
C21 1 Ceramic capacitor 47µF, 6.3V, X5R, 10% (1210)
C24, C25, C4 3 Ceramic capacitor 0.1µF, 16V, X7R, 20% (0603)
C26 1 Ceramic capacitor 220pF, 50V, X7R, 20% (0603)
C3 1 Ceramic capacitor 10µF, 6.3V, X5R, 10% (1206)
C6 1 Electrolytic capacitor 22µF, 63V
    Panasonic EEVFK1220XP
C8 1 Ceramic capacitor 1µF, 100V, X7R, 20% (1210)
C9 1 Ceramic capacitor 2.2nF, 250VAC, X7R, 20% (2220)
D1, D2, D3, D6 4 Diode 1N4148W (SOD323)
D4 1 Zener diode SMBJ54 (SMB)
D5, D8 2 Schottky diode BAT54 (SOT23)
L1 1 Inductor 4.7µH, Coilcraft DO1608C-472
L2, L3 2 Inductor 1µH, Coilcraft DO1608C-102
Q1 1 NPN small signal transistor MMBT3904 (SOT23)
Q2 1 n Channel MOSFET 5A, 150V (DPAK)
    Fairchild Semiconductor FQD5N15
Q3 1 PNP small signal transistor MMBT3907 (SOT23)
Q6 1 n Channel, logic-level, power trench MOSFET (SOT23)
    Fairchild Semiconductor NDS351AN
R1 1 Resistor 4.75k, 1% (0603)
R10 1 Resistor 25.5k, 1% (1206)
R11   open
R12 1 Resistor 221Ω, 1% (0603)
R13   short
     
R14 1 Resistor 2.10k, 1% (0603)
R15 1 Resistor 560Ω, 1% (0603)
R16 1 Resistor 33Ω, 1% (0603)
R17, R21 2 Resistor 1k, 1% (0603)
R18 1 Resistor 22Ω, 1% (0603)
R19 1 Resistor 1.5Ω, 1% (0805)
R2 1 Resistor 47Ω, 1% (0603)
R22 1 Resistor 7.87k, 1% (0603)
R23 1 Resistor 1M, 1% (0603)
R24 1 Resistor 2.32k, 1% (0603)
R25 1 Resistor 255Ω, 1% (0805)
R26 1 Resistor 10k, 1% (0603)
R3 1 Resistor 100Ω, 1%, (0603)
R4 1 Resistor 11.30k, 1% (0603)
R6, R7 2 Resistor 10Ω, 1% (0603)
R8 1 Resistor 49.9k, 1% (0603)
R9 1 Resistor 22.60k, 1% (0603)
T1 1 Custom transformer Coilcraft C1154-B
T2 1 Gate-drive transformer Pulse Engineering PA0184
U1 1 Dual n Channel 2.5V (G-S) MOSFET (SO8)
    Vishay Si9926BDY
U2 1 IEEE802.3aF-compliant POE/PWM Controller (SO16)
    Maxim MAX5941A
U3 1 8-Pin SO error amplifier optocoupler (SO8)
    Fairchild Semiconductor FOD2712
U4 1 3A 1MHZ Buck regulator with internal switches (QSOP16)
    Maxim MAX8505

PWM控制器是一个工作频率为275kHz的电流模式控制器,最大占空比为85%。R19为检流电阻。检流电压送入PWM控制器上的电流检测端口,用于NDRV引脚的栅极驱动。初始偏置由MAX5941A内部的高压稳压器提供,稳压器输入来自电容C8。一旦开关动作并且电容C2上电压超过10V,偏置电压便而直接由电源VDD供给(而不是由输入提供)

原边栅极驱动

NDRV输出馈送到由晶体管Q1和Q3,电阻R16和R2,电容C18以及二极管D1组成的图腾柱缓冲器。此缓冲器延迟驱动MOSFET Q2,使副边双同步整流MOSFET U1可以在MAX5941A提供的栅极驱动电压变高时马上关断。这样可以避免当Q2开通时,变压器(T1)副边发生瞬时短路现象。

变压器T1

变压器T1有五个绕组。引脚1至12是使用SMD线架、EFD 15铁芯,匝数为40匝的主绕组。主绕组第十七匝提供原边偏置电源。三个副绕组与主绕组隔离,可以承受高达1500V的交流电压。引脚5到8之间的绕组用于3.3V输出,而引脚6到7之间的绕组用于2.5V输出。引脚4到9之间的绕组构成驱动绕组,用于驱动U1的MOSFET,并且与输出绕组同相。3.3V和2.5V绕组是采用双线并绕方式,使绕组之间的耦合最大化。

副边整流

双MOSFET U1用于3.3V和2.5V输出的同步整流,以保证较高的转换效率。变压器(T1的引脚9和4)驱动绕组打开MOSFET U1的栅极。当原边MOSFET Q2关断时,驱动绕组上的电压变正,同时T2关断Q6。当MAX5941的NDRV引脚变高,栅极驱动变压器T2接通栅极,使MOSFET Q6断开,从而迫使U1内部的双MOSFET关断。按照这种工作方式,在3.3V和2.5V输出实现同步整流。

3.3V和2.5V反馈回路

U3包含了光耦、误差反馈放大器和内部1.24V基准。2.5V和3.3V输出通过电阻R22和R1输入到误差放大器。因为内部的误差放大器的同相端输入连接到内置1.24V基准电压,反馈控制器将保持R24上的电压稳定在1.24V。R1和R22的阻值选择要保证流过R24电流的1/2来自3.3V输出,另外一半则来自于2.5V输出。通过同步整流以及上述处理过程,可以使3.3V和2.5V输出误差低于±5%。反馈回路还包括C11、C15、R13、R14以及R21等器件。电阻R21在光耦导通时能够保持流入误差放大器的电流最小。

1.2V输出部分

1.2V输出由同步整流降压调节器从3.3V转换得到。U4 (MAX8505)是PWM降压调节IC,内部包括同步整流所需的控制器和MOSFET。在电容C20和C21上可以得到稳定的1.2V直流输出。

Icon

设计, 制作, 测试

图中的电路板已经完成封装和测试。不可售。

 

Maxim设备 (2)

器件号 名称 产品线 购买 设计套件和评估模块
MAX8505 3A、1MHz、1%精度、内置开关的降压型调节器,带有电源就绪指示 开关稳压器 立即购买 Design Kits
MAX5941A 符合IEEE 802.3af标准的以太网供电接口/PWM控制器,适用于用电设备 开关稳压器 立即购买 Design Kits

Maxim设备 (2)

器件号 产品线
开关稳压器
3A、1MHz、1%精度、内置开关的降压型调节器,带有电源就绪指示
开关稳压器
符合IEEE 802.3af标准的以太网供电接口/PWM控制器,适用于用电设备

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