以太網(wǎng)供電中受電設(shè)備的芯片設(shè)計與研究.pdf

1、以太網(wǎng)供電(PoE)是一種在以太網(wǎng)線纜上同時傳輸數(shù)據(jù)和電力的技術(shù)，該技術(shù)節(jié)省空間和成本，方便管理，因此在IP電話，無線建網(wǎng)、安全防護和建筑物管理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文主要針對以太網(wǎng)供電系統(tǒng)中的受電設(shè)備(PD)提供了全套解決方案，并對芯片設(shè)計中的難點提出了獨特的解決思路。
　　本文提出了一種符合IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備控制的電路架構(gòu)，該電路架構(gòu)包含接口芯片和電源管理芯片。其中接口芯片負(fù)責(zé)執(zhí)行與供電設(shè)備(PSE)之間的

2、通訊，而電源管理芯片則負(fù)責(zé)正常工作時的電壓轉(zhuǎn)換，將供電設(shè)備提供的電能轉(zhuǎn)換給終端負(fù)載使用。
　　電壓基準(zhǔn)作為模擬電路中常用模塊，在受電設(shè)備控制芯片中同樣不可或缺。本文研究了高性能電壓基準(zhǔn)的設(shè)計方法，分別針對超低溫漂電壓基準(zhǔn)和高電源噪聲抑制(PSR)電壓基準(zhǔn)提出了相應(yīng)設(shè)計方案。對于超低溫漂電壓基準(zhǔn)，本文提出了一種高階溫度補償方法，采用一個4端輸入的差分運放將高階溫度項疊加到傳統(tǒng)一階溫度補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)上，從而大大降低了電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)

3、。對于高PSR電壓基準(zhǔn)，本文采用了一種負(fù)反饋環(huán)路用于鉗制核心基準(zhǔn)的供電電壓，減少了電源噪聲對電壓基準(zhǔn)的干擾，提升了電壓基準(zhǔn)的PSR特性。兩款芯片均采用TSMC0.35μmCMOS工藝進行設(shè)計，測試結(jié)果表明超低溫漂電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)低至2.1ppm/℃，高PSR電壓基準(zhǔn)的PSR為-120dB@DC，-80dB@10kHz。
　　設(shè)計的接口芯片可以執(zhí)行檢測、分級、上電限流和關(guān)斷功能。對于其中的檢測功能，本文采用了電流比較的方案取代傳統(tǒng)

4、采用電壓基準(zhǔn)比較的方案，減小了芯片面積并且提升了系統(tǒng)檢測速度。對于限流功能，本文采用了高精度的比較電路用于檢測限流電阻上的小電壓信號，既保證了限流精度又降低了系統(tǒng)功耗。該接口芯片采用了CSMC0.5μmBCD工藝進行設(shè)計，測試結(jié)果表明設(shè)計的受電設(shè)備接口芯片可以成功完成IEEE802.3af要求的檢測、分級、上電限流和關(guān)斷功能，達到了預(yù)期目標(biāo)。
　　受電設(shè)備工作在48V高壓下，需要提供不小于12.95W的功率，因此本文為受電設(shè)備設(shè)計

5、了一種高壓高可靠性的峰值模式反激控制器用于電源管理。該控制器采用了一種新型故障保護電路，通過同時監(jiān)控誤差放大器(EA)的輸出和峰值電流信號觸發(fā)保護電路，這比傳統(tǒng)只監(jiān)控誤差放大器輸出的方案響應(yīng)更加迅速，保證了系統(tǒng)的安全性?？刂破鞑捎肅SMC0.5μmBCD工藝進行設(shè)計，應(yīng)用于反激變換器中，測試結(jié)果表明芯片可以在故障發(fā)生時迅速啟動保護電路，降低系統(tǒng)損耗，防止電源損壞，當(dāng)故障移除后轉(zhuǎn)換器仍可以恢復(fù)正常工作。反激轉(zhuǎn)換器工作在34～60V，負(fù)載調(diào)

6、整率為1.32mV/A，線性調(diào)整率為1.05mV/V，最大效率為83.5％。
　　懸浮式buck轉(zhuǎn)換器可以在使用NMOS管作為開關(guān)管的同時不需要boot-strapped電路來提升驅(qū)動電壓，具有成本低的優(yōu)勢，并豐富了受電設(shè)備應(yīng)用的場合。本文設(shè)計了一種精確的電平轉(zhuǎn)換器，該電平轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于懸浮式buck轉(zhuǎn)換器中，可以將以輸入電壓為參考的反饋電壓轉(zhuǎn)化成一個以地為參考的電壓，并與參考電壓比較，從而實現(xiàn)對輸出電壓的監(jiān)控。該電平轉(zhuǎn)換器對電源和

7、溫度都不敏感，可以實現(xiàn)精確轉(zhuǎn)換。該電平轉(zhuǎn)換器和反激控制器集成在一起，可以實現(xiàn)懸浮式buck轉(zhuǎn)換器的控制。測試表明電平轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)化時存在一個70mV左右的固定失調(diào)，可以采用修調(diào)的方式加以糾正。懸浮式buck轉(zhuǎn)換器工作在18～60V，負(fù)載調(diào)整率10.5mV/A，線性調(diào)整率為1.65mV/V，最大效率為94.5％。
　　本文最終提出了一個完整的兼容IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備解決方案。該受電設(shè)備的原型由接口和反激轉(zhuǎn)換器組成，測試