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本文介绍了一种采用安森美公司NCP1031系列单片高压开关稳压器(带内部MOSFET)的以太网供电(PoE)解决方案。这篇应用指南详细说明了如何构建低价高效、输出功率达5.0到6.5W的5.0V直流电源(输出功率取决于转换模式-详见下文所述的直流/直流转换器工作原理)，其中还包含了与响应PoE检测和分类协议相关的输入电路。安森美公司可以根据用户要求提供相关电路的示范PCB。
PoE背景介绍
作为IEEE802.3AF标准，如今通过以太网数据传输线向以太网通信设备馈电已经成为现实，只要终端功率要求小于13W。直流电源传输和相关术语的详细内容可参考该IEEE文档。PoE由两个电源实体组成，即供电设备(PSE)和受电设备(PD)。PSE一般向LAN线缆提供48V标称直流电压，而PD是在线缆另一端的小型直流/直流转换器，能将48V转换成5.0Vdc或3.3Vdc之类的逻辑电平供通信电路使用。PD应该能在最大平均输入功率12.95W时工作，并能承受36到57Vdc范围的输入电压。另外还需要一种特定“协议”实现PD的检测(签名模式)以及根据最大功率电平进行的分类(分类模式)。
签名检测：上游PSE设备通过向PD输入端输送两个在2.8到10Vdc范围之内的不同电压来检测PD。如果通过V/I斜率测得的PD阻抗大于23.7kΩ小于26.25kΩ，就认为存在PD设备。如果阻抗小于15kΩ或大于33kΩ，就认为PD不存在，也不会再进一步施加电压。
分类模式：为了根据目标功率电平分类PD，PSE还会向PD输送一个14.5到20.5Vdc之间的电压。根据该电压下PD的吸收电流决定PD的类别，详细总结于下表。
额外的输入特性
除了签名和分类电路外，PD还必须包括在输入电压到来时将来自PSE的浪涌电流限制在400mA之内的电路，并防止直流/直流转换器引起的任何静态电流或阻抗在签名和分类过程中被忽略。
具体的签名/分类电路
参考图1所示原理图，输入签名和分类电路是围绕着几个分立和低价的安森美半导体器件设计的，其中包括了TL431可编程参考电路、2N7002信号电平MOSFET、2N5550 NPN晶体管、NTD12N10 MOSFET和几个齐纳二极管及电阻电容。为了实现签名检测，24.9k电阻(R1)直接放于输入端。要注意的是，在签名检测阶段，输入电压低于10V，由U1、Q2和R4组成的恒定电流源处于关闭状态，因为必须超过9.1V击穿电压才能完成这个电路的偏置。还要注意的是，作为直流/直流转换器回路管脚中串接的输入开关管MOSFET Q3也是关闭的，直到输入电压超过约27V。该电压等于D2的击穿电压和Q3的栅极门限电压之和。
图1：PoE受电设备(PD)原理图。
随着电压上升到分类电平，D1将在电压超过约9.8V时导通，由U1、Q2和电阻R4组成的电流源被打开，并且电流由U1参考电压(2.5V)和分类电阻R4精确地控制。
一旦分类完成并确认后，输入电压就可以跃升到标称值48V。一旦这个电压超过Q3的栅极门限和D2的击穿电压之和，Q3就开始导通。不过Q3不会突然导通，由于存在由R6和C2组成的RC时间常数，它会立即进入线性区工作。立即工作在线性区可以限制浪涌电流，因为Q3在这段时间内等效于一个电阻。D3将Q3栅极的电压钳位在15V，当来自PSE的输入关闭时，R5给C2提供放电路径。MOSFET管Q1与Q3一样也在相同电压时导通，这样就关闭了U1/Q2电流源，从而减少来自输入端的额外漏电流。
直流/直流转换器工作原理
直流/直流转换器是利用安森美公司的单片NCP1031开关稳压器芯片(U2)而设计的。在最大输出功率为5.0W时，转换器被配置为采用普通TL431和光耦电压反馈机制的非连续模式(DCM)回扫拓扑结构。修改变压器设计和控制环路补偿网络使之工作在连续导通回扫工作模式能将输出功率提升到6.5W(1.3A)。输入端使用由C3、L1和C4组成的差模π型滤波器。
当6脚的欠压端子超过2.5V时控制芯片开始启动。由R7、R8和R9组成的电阻分压网络将芯片的欠压和过压电平分别设置在35V和80V。通过引脚8提供内部启动偏置并驱动恒流源给Vcc电容C7充电。一旦U2导通，变压器T1的辅助线圈(引脚2，3)就通过二极管D1和电阻R11提供工作偏置。
由漏感T1引起的电压尖峰被C5、D6和R10组成的网络所钳位。R10上的实际额定功率是T1初级到次级漏电感的函数，并且越低越好。电容C6将转换器的开关频率设置在约220kHz。
由于需要二级隔离，TL431(U4)作为误差放大器与光耦(U3)一起形成了电压检测和反馈电路。通过将电压检测引脚3接地已经使U2中的内部误差放大器失效了，而引脚4上的放大器输出补偿节点用来通过光耦的光阻控制脉冲宽度。检测到的输出电压被R16和R17分压成TL431的2.5V参考电平，并由C9和R15设置适合DCM工作的闭环带宽和相位余量。如果配置成CCM回扫工作，还需要额外的元件(C14、C15和R12)来稳定反馈环路。初级侧的C8向U2提供噪声去耦和额外的高频滚降性能。这种实现方案提供的输出调整率在线路和负载变化时均好于0.5%，闭环相位余量好于50℃。
输出整流管D5是一个用于提高效率的3A肖特基器件，其输出电压要经过由C11、L2和C12组成的π网络滤波。滤波输出的典型峰峰值噪声和纹波在所有正常负载和线路条件下都小于100mV。C13提供额外的高频噪声衰减。典型的输入到输出效率在满负荷条件下为75%左右(图2)。用基于MOSFET的同步整流电路代替D5可以获得更高的效率(安森美的应用指南AND8127详细介绍了如何实现回扫拓扑结构的简单同步整流电路)。
图2：效率与输出功率关系图。
过流保护功能是由NCP1031中的内部峰值电流限制电路提供的。在25℃环境中，当该电路配置为CCM回扫模式时，可以在过流和/或过温限制功能启动前提供1.3A的连续输出电流，浪涌电流可高达1.5A。当配置为非连续模式时，电流限制在约1.0A左右，峰值电流可到1.2A。
电磁设计
非连续模式的回扫变压器设计详见图3，连续模式的变压器设计见图4。在回扫变压器设计中，重点是将绕组保持在单层中，并在磁芯结构的窗口长度上均匀分布，以便尽量减少漏感。在本方案中这一点可以很容易利用Ferroxcube公司的小型EF16铁氧体磁心实现。
图3a：非连续模式回扫变压器描述。
图3：非连续模式回扫变压器设计。
图4a： 连续模式变压器描述。
图4：连续模式变压器设计。
非连续与连续模式工作
表1：以太网电源等级分类。
在非连续模式回扫工作中，电感电流在MOSFET开关再次打开前降到了零。这种工作式使得输出具有一阶滤波器网络特性，因此反馈环路的稳定电路简单，可以获得较宽的带宽并实现良好的输出瞬态响应。但遗憾的是这种工作模式会产生较高的峰值开关电流，并由于存在内部电流限制设置点和NCP1031中的热保护电路而限制了电路的输出功率。而在连续电流工作模式中，MOSFET可以在电感电流到零之前回到导通状态，因此峰值开关电流较低，无需过流保护干涉就能获得较高的输出功率。不过这种工作模式也有代价，那就是控制环路带宽必须做得更低，因此对负载和线路变化的瞬态响应较差。CCM工作模式会在电源拓扑响应特性中引入右半平面零点，需要用图2所示额外的反馈元件进行补偿才能获得合适的反馈稳定性。由于输出整流器此时必须强制关闭整流功能，因此CCM还会产生较多的电磁干扰。
基于NCP1031设计的以太网供电DC-DC转换器技术
- NCP1031(7126)
- 以太(17439)
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模块化DC-DC转换器有何优点
系统，成为能够满足这种要求的最高能效解决方案。人们早已认识到模块化DC-DC转换器具有更高的能效和可靠性，但因其高成本，制造商并未在设计中使用这种转换器，尤其是在需要大量转换器时。尽管开发成本仍...
2021-11-16 08:14:12
正激式和反激式DC-DC转换器介绍
隔离式DC-DC转换器在工业现场总线，工业自动化等上面应用非常广泛，它能够提供电流隔离，抵抗噪声和提高安全性。隔离式DC-DC转换器常采用变压器或光耦合器来实现输入输出的电气隔离。下面就以正激式
2020-12-09 15:25:24
用于电信应用的35 W DC/DC单端正激转换器NCP1216AforWGEVB
NCP1216AforWGEVB，NCP1216评估板，35W正激转换器。 NCP1216AforWEVB是一款用于电信应用的35 W DC / DC单端正激转换器。它具有36V至72V DC的输入
2019-04-24 09:29:13
电子书：DC-DC 转换器的应用与设计方案
原理DC-DC升压转换器的作用汇总记住这十一条，轻松搞定DC DC电源转换电路设计如何使用一个DCDC转换器来实现多路电压输出的电源方案dcdc隔离电源电路图大全（全桥变换/推挽式/开关稳压电源电路图详解
2019-03-14 16:52:46
电源内阻对DC-DC转换器效率的影响
DC-DC转换器常用于采用电池供电的便携式及其它高效系统，在对电源电压进行升压、降压或反相时，其效率高于95%。电源内阻是限制效率的一个重要因素。 立深鑫电子为大家描述了电源内阻的对效率
2021-11-16 08:52:21
能否介绍几种Buck架构DC-DC转换器？
Buck转换器是一种开关模式的降压型转换器，它能提供在高压降比 (VIN/VOUT) 和高负载电流下的高效率与高弹性。在本论坛能否介绍几种Buck架构DC-DC转换器？
2019-09-18 16:21:14
负载点DC-DC转换器解决电压精度、效率和延迟问题
为什么使用DC-DC转换器应尽可能靠近负载的负载点（POL）电源？效率和精度是两大优势，但实现POL转换需要特别注意稳压器设计。接近电源。这是提高电源轨的电压精度、效率和动态响应的最佳方法之一。负载
2021-12-14 07:00:00
超小型DC-DC转换器作用以及如何最好应用
的作用以及如何最好地应用它们。为什么转向超小型转换器？微小降压（降压模式）DC-DC电源转换器的出现反映了从使用更大的中间总线转换器（IBC）到为相对大的负载点（POL）转换器供电，然后为相对
2018-12-24 19:42:43
降压型电流模式DC-DC转换器PAM2304
PAM2304 3Mhz，1A降压DC-DC转换器的典型应用。 PAM2304是一款降压型电流模式DC-DC转换器。在高负载时，恒定频率PWM控制可实现出色的稳定性和瞬态响应
2019-03-14 14:17:05
非隔离式DC-DC降压转换器布局 - 哪个更好
我正在使用TPS62130进行DC-DC降压转换器布线。众所周知，路由DC-DC转换器的关键是减小电流回路面积。在我的设计中，我有一个专用的地平面，所以我有两个选择来关闭当前循环：左边一个，循环在
2018-08-17 21:37:36
非隔离式的DC-DC转换器解析
非隔离式的DC-DC转换器都是基于降压，升压以及降压-升压型DC-DC转换器而衍生出来的，下面就简单介绍一下这三种DC-DC转换器。 1.降压型DC-DC转换器 图1显示的是降压型DC-DC
2020-12-09 15:28:06
高效率的Ap1603升压型DC-DC转换器的应用
Ap1603升压型DC-DC转换器的典型应用，Vout = Adj。 AP1603是一款高效率升压型DC-DC转换器，适用于使用少量单个NiMH或锂离子电池的应用。只需要四个外部元件即可提供3.3V的固定输出电压
2020-06-18 07:34:17
VPT推出DC-DC电源转换器系列
VPT推出DC-DC电源转换器系列
VPT推出DC-DC电源转换器系列的几个新模块，VPT为DVFL，DVTR和DVHF系列DC-DC电源转换器产品线推出几个新增模块。这些模块上
2010-05-14 16:17:312629
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NCP1031 用于PoE和电信的集成DC-DC转换器
德赢Vwin官网
网为你提供()NCP1031相关产品参数、数据手册，更有NCP1031的引脚图、接线图、封装手册、中文资料、英文资料，NCP1031真值表，NCP1031管脚等资料，希望可以帮助到广大的电子工程师们。
2019-04-18 21:34:09
150W LLC高压DC-DC谐振转换器参考设计
150W LLC高压DC-DC谐振转换器参考设计(安徽理士电源技术有限公司 董杰)-参考设计报告：使用HiperLCS LCS 702HG设计的150W LLC高压DC-DC谐振转换器。
2021-09-28 16:46:57
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46什么是DC-DC转换器？DC-DC转换器是如何命名的？
最近有网友问：什么是DC-DC转换器？DC-DC转换器是如何命名的？泰德兰电子小编在这里和大家分享一下关于什么是DC-DC转换器，首先我们先简单了解下DC-DC转换器，本文也将在下方附上一张关于
2021-11-09 19:20:5946
46GreenBridge™ 以太网供电评估套件用户指南 30W 有源钳位正激 DC-DC
GreenBridge™ 以太网供电评估套件用户指南 30W 有源钳位正激 DC-DC
2022-11-14 21:08:370
0源电阻：DC-DC转换器电路中的效率杀手
DC-DC 转换器通常用于电池供电设备和其他节能应用。与线性稳压器一样，DC-DC转换器可以调节到较低的电压。然而，与线性稳压器不同的是，DC-DC转换器可以升压或反相输入电压以产生负电压。另外，DC-DC转换器在最佳条件下的效率高于95%。然而，这种效率受到耗散元件的限制。主要原因是电源中的电阻。
2023-03-15 11:44:483587
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DC-DC转换器工作原理是什么？
DC-DC转换器工作原理是什么？ DC-DC转换器是一种电子设备，它可以将电源输入电压（VIN）变成不同的电压输出（VOUT），通常用于电路设计中，以实现电源管理和控制。这些转换器将直流电（DC
2023-08-18 15:01:132705
2705DC-DC转换器PCB设计的一些要点
DC-DC转换器可以实现各种电压电平的高效电源转换和供电，但是随着需求的不断上升，需要更高功率密度更高效率以及更小的尺寸，DC-DC转换的PCB设计就更为重要了。下面说一说DC-DC转换器 PCB设计的一些要点。
2023-10-23 11:24:15434
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多相DC-DC转换的优缺点 何时使用多相DC-DC转换？
多相DC-DC转换的优缺点 何时使用多相DC-DC转换？ DC-DC转换器是一种电子设备，可将一种直流电压转换为另一种直流电压。这些转换器可以通过单相或多相技术实现。 在多相DC-DC转换器中，多个
2023-10-31 09:41:20550
550DC-DC转换器电路图 Boost升压型DC-DC转换器的工作原理
DC-DC转换器电路图 Boost升压型DC-DC转换器的工作原理
Boost升压型DC-DC转换器是一种常用的电源管理电路，它可以将较低的直流输入电压转换成较高的直流输出电压。其工作原理主要
2024-01-19 18:28:42851
851如何降低DC-DC转换器的纹波噪声
DC-DC转换器是一种将直流电压转换为另一种直流电压的电源转换器，常见于各种电子设备中。在DC-DC转换器中，纹波噪声是一个重要的考虑因素。要降低DC-DC转换器的纹波噪声可以采取以下几种方法：
2024-03-13 12:44:0586
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