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1、以太网供电应用中可用应用功率的估算作者：Martin Patoka（电子邮件：系统工程师介绍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IEEE802.3af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。本文帮助设计人员确定在应用采用PoE电源进行工作时可用功率的大小。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 出两种拓扑样例进行比较。建模过程使设计人员能在设计
2、最初的电路前明确拓扑 与技术问题。在本讨论中，我们认为应用电路是用电设备（PD）中除PoE前端与DC/DC转换器外的重中之重。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。有关计算得出表1所示的结果，计算中假定PSE输出（最低44V） 通过20Q线缆连接至PDoPD前端带有变压器（总共1Q,中心抽头两侧各0.5 Q）、全波网桥以及串连 1Q开关（FET）的热插拔控制器（即 PD控制器）。图1基本PoE结构图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最糟糕情况 为2.45 W,而输入二极管桥决定着前端额外损耗
3、为0.78 Wo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 0.9X12.16 = 10.9W的可用输出功率。尽管 90%的效 率可能偏乐观，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
4、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试图最大化 可用功率。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
5、图2两种电源拓扑选择方案表1 PoE配电与前端损耗分析参数最小典型最大PSE输出(V)4457分配电阻(Q)20电源功率(W)15.4PD平均电流(A)0.35常量二极管正向压降(V)0.8变压器电阻(Q)1PD控制器开关电阻(Q)-t1PD控制器偏置功率(A)0.0012损耗源损耗(W)可用功率(W)15.40*配电2.4512.95输入二极管0.5612.39输入变压器0.0612.33PD控制器开 关0.1212.21PD控制器偏 置0.0412.16表2拓扑1模型模型组件出压 输电 稳压 器类 型输入 电压(V)稳压器 效率(%)应用电 流(A)额外输 出负载(W)计算得 出的输 入功
6、率(W)级损 耗(W)链11.8线性2.50.250.000.630.182.5线性3.3900.250.631.650.403.3开关12901.831.658.540.85链25线性120.20.002.401.40第一级输入功率开关4890010.9412.161.22总损耗4.05视在效率=67%可用输出功率=8.11 W表3.拓扑2模型模型组件出压V) 输电e稳压 器类 型输入 电压(V)稳压 器效 率(%)应用电 流(A)额外输 出负载(W)计算得 出的输 入功率(W)级损 耗(W)链11.8线性2.50.250.000.630.182.5开关3.3900.250.631.390.
7、143.31002.5321.399.740.00链25线性60.20.001.200.20一级输入功 率开关4890010.9412.161.22总损耗1.73视在效率=86%可用输出功率=10.43 W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
8、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：1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。拓扑2中48V至3
9、.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。设计人员可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。相关 Web 站点
