以太网供电应用中可用设备功率的估算

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 IEEE 802.3af 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。
　　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，并将给出两种拓扑范例进行比较。建模过程使设计人员能在设计最初的电路前明确拓扑方式与技术问题。
　　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。相关计算得出了表 1 所示的结果，计算中假定 PSE 输出（最低 44V）通过 20Ω 线缆连接至 PD。PD 前端带有变压器（总共 1Ω，中心抽头两侧各 0.5Ω）、全波网桥以及串连 1Ω 开关 (FET) 的热插拔控制器（即 PD 控制器）。

表 1 PoE 配电与前端损耗分析

　　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在最糟糕情况下为 2.45 W，而输入二极管桥路决定着前端额外损耗为 0.78 W。

图 1，基本 PoE 结构图

　　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 0.9×12.16 = 10.9W 的可用输出功率。尽管 90% 的效率可能偏于乐观，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 试图使可用功率最大化。

图 2，两种电源拓扑选择方案