4 Вибір і обгрунтування принципової схеми PoE

4.1 Випрямні мости для поверхневого монтажу

Використання нового стандарту живлення по мережі Ethernet (офіційна назва IEEE802.3af) дозволяє відмовитися від джерела живлення взагалі. Стандартна напруга 44-57 В може бути отримано по роз'єму RJ-45. Так, наприклад, пристрій РоЕ (або PD-пристрій) може відбирати частину струму від мережевого концентратора (хаба) PSE (Ethernet Power Sourcing Equipment). При цьому, якщо споживана потужність не перевищує 12-14 Вт, все харчування може здійснюватися через роз'єм RJ-45, і додаткове джерело живлення не потрібно взагалі. Дана можливість набагато підвищує споживчі властивості апаратури даного класу, більше того, вже прийнято новий стандарт, який розширює допустиму потужність РоЕ-пристроїв до 26 Вт.

На рисунку 4.1 показана типова схема живлення РоЕ (передача потужності здійснюється по 2 різних лініях). У даній схемі використовується велика кількість випрямлячів, їх призначення буде описано далі. Насамперед, для роботи схеми необхідно 1 або 2 випрямних мосту. Струм випрямлячів дуже малий (менше 300 мА), напруга живлення також досить низька. Як правило, в пристрої використовується стандартний міст MS80 з кроком висновків 2,5 мм виробництва Diotec Semiconductor. Більш досконалим випрямлячем, що забезпечує необхідну потужність, є MYS80 від Diotec з кроком 1,27 мм. Оскільки до цих компонентів не пред'являється ніяких спеціальних вимог по довжині шляху струму витоку, їх можна вважати ідеально відповідними для даного застосування.

При використанні в схемі двох випрямних мостів з'являється проблема економії місця на друкованій платі, що особливо актуально, наприклад, для РоЕ веб-камер. Відсутність істотних теплових або електричних навантажень робить випрямляч типу MYS найбільш правильним вибором. Параметри випрямних мостів наведені в таблиці 4.1.

Рисунок 4.1 Функціональна схема живлення по шині Ethernet

При використанні в схемі двох випрямних мостів з'являється проблема економії місця на друкованій платі, що особливо актуально, наприклад, для РоЕ веб-камер. Відсутність істотних теплових або електричних навантажень робить випрямляч типу MYS найбільш правильним вибором. Параметри випрямних мостів наведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Випрямні мости для поверхневого монтажу

Найменування	Максимальное обратное напруга Uvrms, B	Повторювана імпульсна зворотна напруга Uvrms, B	Середній прямий струм Ifav, A	Пряма напруга		Cтрум витоку	Тип корпусу
				Не більше Uf, B	При If,A
MYS40 MYS380	40-380	80-800	0,5	1,2	0,5	10	3x3x1,5mm MicroDIL
MS40 MS500	40-500	80-1000	0,5	1,2	0,5	10	3x3x1,5mm Super-MicroDIL
S40 S500	40-500	80-1000	0,8	1,2	0,8	10	TO-269AA MiniDIL
S40F S380F	40-380	80-800	0,8	1,3	0,8	10	TO-269AA MiniDIL
B40S B500S	40-500	80-1000	1	1,1	1	10	8,3x6,4x3,1mm
B40S2A	40-380	80-800	2,3	0,95	2	10	8,3x6,4x3,1mm
B40FS	80-800	80-800	1	1,3	1	10	8,3x6,4x3,1mm

У вхідних ланцюгах для захисту від викидів напруги, як правило, використовується супресор (TVS - Transient Voltage Suppressor) з робочою напругою 58 В. Оскільки в описуваному пристрої постійно відбувається підключення або відключення кабелю, то доцільно використовувати TVS-випрямляч, наприклад P4SMAJ58, який розрахований на пікову імпульсну потужність до 400 Вт.

Використання діодів-супресорів, що дозволяють придушувати перехідні перенапруги, є необхідним у тих випадках, коли потрібен захист від електростатичного розряду або ESD (стандарт IEC61000-4-2) і EFT (стандарт IEC61000-4-5).

Більшість РоЕ-пристроїв розраховане на експлуатацію в приміщенні і, як і у випадку грозозахисту, вони повинні задовольняти вимогам тільки другого рівня безпеки за стандартом IEC61000-4-5. Супресор P4SMAJ з піковою потужністю 400 Вт із запасом забезпечує необхідний рівень захисту, оскільки імпульси перенапруги досить короткі (нормовані значення: 8/20-1, 2/50).

В екстремальних випадках при використанні довгих ліній передачі можуть бути застосовані більш ефективні подавители перехідних перенапруг потужністю 600/1500 Вт.

Необхідно відзначити, що реалізація такого захисту в розглянутому випадку є більш складним завданням через необхідність заземлення, що може зажадати застосування додаткових випрямлячів. Типова принципова схема пристрію показана на рисунку 4.2.

Напруга 48 В повинно бути перетворено в низьковольтні сигнали, необхідні для живлення потужних інтегральних схем. Для вирішення цього завдання не існує універсального методу, однак, оскільки максимальна потужність таких пристроїв не перевищує 12-14 Вт, найбільш раціонально застосовувати в якості джерела живлення обратноходового конвертор.

У більшості випадків РоЕ-пристрої живляться від низьких напруг, тому в випрямних каскадах переважніше всього використовувати діоди Шоттки. Найбільш поширеними типами є стандартні діоди SGL1-40, SK14, SK24 і SK34, придатні, в залежності від струму, для формування напруг 5 або 3,3 В.

Рисунок 4.2 Електрична схема живлення по шині Ethernet

4.2 Діоди Шоттки

Необхідно відзначити, що потужність 12 Вт не є граничною для даного класу джерел живлення, ефективність роботи яких багато в чому залежить від прямого падіння напруги Vf випрямних діодів. Diotec пропонує широкий вибір діодів Шоттки, таких як SMS240, SMS340, SK34SMA, SK54 і SK84. Вони відрізняються поліпшеними характеристиками провідності і меншим розміром корпусу. У ряді випадків для джерел живлення 5 і 3,3 В можуть бути обрані діоди різних типів, що забезпечують максимальний ККД. Основні параметри діодів Шоттки наведені в таблиці 4.2. Наведені вище міркування відносяться до схеми ізольованого конвертора.

При використанні неізольованого джерела живлення найбільш правильним вибором з погляду ефективності буде синхронний випрямляч. У цьому випадку втрати на випрямному каскаді виявляються ще нижче. Однак при перетворенні напруги 48 В в 3,3 В за допомогою синхронного випрямлення завдання дещо ускладнюється через велику різницю коефіцієнтів заповнення FET-транзисторів верхнього і нижнього рівня. У цьому випадку розробка проміжної шини РоЕ-пристрою може становити певну складність.

Таблиця 4.2 Діоди Шоттки для поверхневого монтажу

Найменування	Імпульсна зворотна напруга Urrm,B	Неповторювана імпульсна зворотна напруга Urrm,B	Номінальний прямий струм Ifav,A	Пряма наптуга Ur,B	Тим корпусу
SGL1-20… SGL1-100	20-100	20-100	1	0,5-0,82	DO-213AA
SK14… SK 110	20-100	20-100	2	0,5-0,85	DO-214AC
SK22…SK210	20-100	20-100	2	0,5-0,85	DO-214AA
SMS220…SMS2100	20-100	20-100	2	0,5-0,79	DO-213AB
SMS320…SMS3100	20-100	20-100	3	0,5-0,79	DO-213AB
SK32SMA	20-100	20-100	3	0,5-0,85	DO-214AC
SK32…Sk310	20-100	20-100	3	0,5-0,85	DO-214AB
SK52…SK510	20-100	20-100	5	0,5-0,83	DO-214AA
SK82…SK810	20-100	20-100	8	0,5-0,85	DO-214AB