面向PoE應用的電源轉(zhuǎn)換IC - 如何應對PoE受電設備設計挑戰(zhàn)

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需求可采用三類控制。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應用于手機、MP3、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。

　　因為直通開關MOSFET的漏極被連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關MOSFET的源極，現(xiàn)有辦法不能把一切都集成到一顆單片晶圓上。一些包含多顆晶圓的IC正開始出現(xiàn)，然而，它們可能價格不菲。因此，要么選擇把前端和一個PWM控制器集成在一起的單片芯片，要么選擇把PWM控制器、功率MOSFET和相關支持電路集成在一起的單片芯片。

　　因為設計時間的大半將花在DC-DC轉(zhuǎn)換器上，把常用支持功能集成在所選擇的IC之中是至關重要的。下列就是在一款IC中應包括的集成功能：

　　過熱保護：

　　安全和高度可靠的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有熱感測和過熱保護。MOSFET開關可能是所有開關轉(zhuǎn)換器中最易發(fā)熱的器件之一，并且它是唯一直接受控的有源功率器件，所以，其溫度必須被感測出來以提供熱保護。當采用分立MOSFET開關的時候，必須安裝熱傳感器以便它直接與MOSFET接觸，這通常需要一些手工安裝的步驟。然而，當MOSFET與控制器一道被集成在同一晶圓上的時候，控制器可以直接感測MOSFET溫度。這就省略了把熱傳感器連接到分立MOSFET時所需要的手工安裝步驟。

　　支持轉(zhuǎn)換器通常所需要的其它一些功能是：啟動、軟啟動、自動重啟動、欠壓鎖定(UVLO)、過壓關斷以及MOSFET電流檢測和限流。

　　啟動：

　　一旦轉(zhuǎn)換器開始工作，它通常從主變壓器上的輔助繞組向PWM控制芯片提供電源。然而，當電源首次被施加到轉(zhuǎn)換器時，輔助電源沒有電，必須利用附加電路向控制器提供初始工作電流。當初始供電電路被集成到控制器IC之中時，工程師既不需要參與其設計，也不需要擔心其正確的工作，特別是如果該電路需要非常少的外部元器件實現(xiàn)正常工作的話。這就縮短了設計周期，與此同時，也減少了元器件的數(shù)量。

　　軟啟動：

　　集成啟動電路也可以被設計為緩慢"松開"轉(zhuǎn)換器使其進入完全工作。在軟啟動期間，開關占空比最初非常低，并在開始工作的最初幾毫秒期間緩慢增加。這就減輕了對各種電源元器件的壓力，使它們的壽命更長。

　　自動重啟動：

　　高可靠性和穩(wěn)定性工作要求防止轉(zhuǎn)換器或負載的元器件出現(xiàn)故障。當保護功能被集成到IC內(nèi)部時，設計工程師的工作就極大地減輕了。此外，一種設計良好的自動重啟動功能可以限制某種故障期間可能被傳遞到負載的功率，并且可以通過有效反饋信號的丟失來激活，而不是由對IC供電電源的丟失來激活。這一點很重要，因為在輸出過載條件期間偏置電源可能提供足夠保持IC正常工作的功率，所以，不能依賴它的丟失作為故障保護的手段。

　　UVLO和過壓關斷：

　　欠壓關斷模式是當供電電壓低于IC的開啟門限電壓時的一種保護模式。欠壓關斷模式可保證IC在供電電壓不足時不致于被損壞。一個低電壓鎖定(UVLO)電路可確保IC在電池電壓未達到安全操作電壓前不同激活，UVLO的功能會展示滯后現(xiàn)象，以確保在電源供應架上的噪音不會不慎導致系統(tǒng)故障。當類似低電壓或高電壓狀況發(fā)生于監(jiān)控輸出或在系統(tǒng)電源供應出現(xiàn)低電壓的錯誤時，所有監(jiān)控的電源供應可能會激發(fā)出像是一排序電源關閉的操作之內(nèi)部錯誤反應，或是一種立即的強迫關閉。

　　雖然在發(fā)現(xiàn)和分級期間接口電路執(zhí)行最初的欠壓鎖定功能，DC-DC轉(zhuǎn)換器也需要具備它自己的UVLO功能以滿足IEEE802.3af規(guī)范對工作范圍的要求。過壓關斷功能保護負載免受在CAT-5電纜上的反常高壓。此外，這兩種功能都應該被集成到IC之中，以保持設計時間盡可能短。

　　MOSFET電流感測和限流：

　　金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effecttransistor)。MOSFET依照其"通道"的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。MOSFET里的氧化層位于其通道上方，依照其操作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數(shù)十至數(shù)百埃(?)不等，通常材料是二氧化硅(silicon dioxide, SiO2)，不過有些新的進階制程已經(jīng)可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做為氧化層之用。

　　在每一個開關周期感測和限制峰值MOSFET電流可能有助于防止變壓器飽和并使轉(zhuǎn)換器更為穩(wěn)定。在低功率級別，MOSFET電流感測是利用一個與MOSFET源極串聯(lián)的電流感測電阻實現(xiàn)的;這有效地增加了MOSFET漏-源極(RDS(ON))的導通電阻，但是，降低了轉(zhuǎn)換器的效率。然而，當MOSFET與控制器一道被集成到同一晶片之上時，不需要任何外部元器件就可以感測和限制峰值MOSFET電流。除了減少轉(zhuǎn)換器的元器件數(shù)量之外，集成電流限制功能可以比利用外部元器件要快得多，并使轉(zhuǎn)換器更為強健可靠。

　　使用將所有這些功能都集成的電源轉(zhuǎn)換IC,設計時間可以被控制得非常短。此外，元器件數(shù)量和電源級的成本可以仍然非常低，甚至在采用分立接口電路的情況下，只要DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠被足夠地集成。Power

　　Integrations公司已經(jīng)利用它的DPA-Switch產(chǎn)品家族開發(fā)了一種低成本、可靠的PD電源級?；谶@種方法的電源級的電路圖如圖3所示。

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　　圖3：基于DPA-Switch器件的PD電源級電路圖

　　此分立接口電路僅僅需要16個元器件，并已通過美國新罕布什爾州大學的互通性聯(lián)盟(UNH-IOC)的測試。該DC-DC轉(zhuǎn)換器圍繞Power

　　Integrations公司高度集成的電源轉(zhuǎn)換IC(U1)進行設計，并且僅僅需要33個元器件。熱保護、啟動電流源、軟啟動、自動重啟動、UVLO、過壓關斷和MOSET電流感測及限流功能都完全集成到U1之中。220

　　V集成MOSFET的擊穿電壓(BVDSS)足夠高，150V齊納箝位二極管(VR3)足以保護集成MOSFET漏極節(jié)點免受反激電壓尖峰的干擾。

　　一個電阻(R5)就使UVLO和過壓關斷功能成為可能，與此同時，四個其它元器件(Q20、R21、R22和R23)降低了UVLO功能的關閉閾值以滿足IEEE802.3af要求。U1的控制引腳是為接收來自IC及輸出反饋而接收電源電流的電流輸入端。反饋信號的丟失會造成U2中斷向U1提供偏置電流，從而使之進入它的自動重啟動保護模式。此外，U1利用集成的MOSFE漏-源極之間的壓降來感測每一個開關周期的漏極(DRAIN)電流。如果漏極電流超過器件的峰值電流限制，集成比較器就會將MOSFET關斷。當與適當設計的變壓器一道使用時，這種電流限制功能排除了變壓器飽和的可能性，使轉(zhuǎn)換器非常強健可靠。DC-DC轉(zhuǎn)換器的其余部分是簡單的由電壓模式控制的反激式電路。

　　本文小結(jié)

　　PoE PD設計工程師正面臨著降低他們的電源級成本而不犧牲可靠性的挑戰(zhàn)。半導體集成是正用于解決這個問題的主要技術，其中有兩種常用方法。雖然接口電路與PWM控制器的集成最初看來是不錯的方法，但是，把PWM控制器和功率MOSFET集成在一起能夠既降低成本又可以縮短設計周期，而同時又不犧牲可靠性。DPA-Switch家族產(chǎn)品為設計工程師提供一種解決他們的PoE PD設計挑戰(zhàn)的有效的解決方案。