从以太网供电中获得更多的电力

以太网供电(PoE)已经成为一种流行的概念，而且正被应用于诸多产品中，例如，网络电话、监控摄像头以及销售点终端。在一个提供以太网供电的网络中，电力是由电源设备(PSE)提供的，这种设备通过以太网连接产生一个44～57V输出。在以太网连接的另一端，电力被用电设备(PD)消耗掉。尽管目前正在对更高功率以太网供电标准进行定义，但是在单个以太网连接上，用电设备的功率被限制在13W左右。而不幸的是，这一功率对于许多复杂的应用来说往往是不够的。因此，一些高功率用电设备的设计需要将多端口中的功率转换为48V输入隔离的可用电压。现有的几种技术可以提供多输入源隔离式功率转换。

压降

对于并联DC/DC而言，一种常用的技术为压降法。如果输出电压随着负载电流增加而下降，那么并联电源将共享电流。这就要求在电源之间没有通信，并且消除潜在的信号故障。实施该技术，需要最小化额外部件的数量。如果使用了电流模式控制，那么您可以简单地限制控制环路的DC增益来引入同负载电流成比例关系的输出压降。如果需要更高的精确度，那么可以如图1中所示来实施该电路。该电路使用差动放大器U1B来测量输出电流，并且将一个误差注入到补偿放大器U1A的调节环路中。仅仅需要添加数个电阻器和一个单级放大器，便可实现自主电流共享。

图1 压降添加了极少的几个组件

不幸的是，压降共享并不是十分的精确。图2显示了1%电阻容差、1.5%参考容差和10%总压降的最坏情况变化。该设计具有一个5V的额定设置值和一个±%5的变量压降。最小值曲线和最大值曲线表明了其极值情况下的组件容差。如果您将这三个电源并联，且无负载情况，那么最高输出电源往往会调节输出电压。

图2 压降法在最差情况实现电流共享的能力相对较差

如图1所示，如果电源使用了二极管进行调节，那么带最低输出电压的电源将不会输出任何电流。随着负载电流的增加，输出电压开始下降。具有最高输出电压的电源将提供所有电流，直到其输出电压下降至5.25V。然后，第二高输出电压的电源开始提供电流。运用该假定最坏情况容差的设置值，在最低输出电压的电源开始发挥作用以前，第一个电源便提供了接近其输出功率70%的功率。由于不稳定，因此设计并不十分理想；尽管如此，在一些情况下还是可以接受的。随着负载电流的进一步增大，第一个电源可能会达到电流极限。电流进一步增大的问题由其余两个电源来处理，从而实现额定功率运行。

同步整流电源拓扑结构允许电源提供或吸收输出电流，对于此种控制方案来说，这样会产生极大的问题。在极值情况下，一个电源可能会试图调节到高端，而另一个电源则调节至低端。当这种情况发生在无负载条件下时，一些电源将提供电流至输出端，而另一些电源则会将输出端的电流吸收。这样一来，就从一个电源中获取电力，并且在没有为负载提供电力的情况下将其返回至第二个电源。因此，建议在0A时关闭同步整流器。

交错式反向转换

交错法提供了另一种从多输入端平衡获得电力的技术。正如压降法一样，交错法使用了一个单独的功率级，用于每一个输入端，并且为共有输出端提供电力。与压降法不同的是，交错式功率级（也称为相位）共享一个相同的一次侧控制器。这样可以降低成本，容许每一个功率级与异相同步。同步可降低输出电容器中的纹波电流，并且使输出滤波器的体积更小。交错法要求所有功率输入端共享同一个回路，这样就可以防止此种方法被用于某些应用中。

许多PWM控制器是专门为交错法而设计的。如果仅仅需要两个相位，那么通过使用一个推挽式控制器来进行交错就可以极大地降低成本。图3显示了一个使用如UCC2808推挽式控制器的两相交错式反向电源的原理图。该芯片将每一个相位的占空比限制在50%，并且对两个功率级做180°的异相切换。该推挽式控制器使用峰值电流模式控制，将两个相位的峰值电流维持在接近的值。在一个不连续的反向电源中，输出功率（每相）同峰值初始电流的平方成比例关系。因此，所获得的功率自然地在两个输入端得到了平衡。这种技术使得从两个输入电源获得不超过5%误差的均衡电力。一次MOSFET上的开关延迟是电力不均衡的主要原因，并且在两个输入电压不相等的情况最为糟糕。由控制器提供的峰值电流极限限制了从每个输入端获得的最大电力，因此在欠压和故障时，占空比钳位又限制了输入电流。

图3 一个推挽式控制器驱动一个交错式反向电源

使用二次侧负载共享控制器的电力共享

在多输入端之间共享电力的第三种方法是使用一个二次侧负载共享IC。使用此种方法，许多带有远程传感功能的独立电源就可以共享一个共有输出。负载共享IC通常与电源模块一同使用（见图4）。一个分流电阻器被用于测量每个转换器提供的电流。由于容差和寄生阻抗，其中的一个电源将提供比其他电源更多的电流，该电源将起到一个主电源的作用，并将设置负载共享(LS)总线上的电压，将其作为一个参考输入来控制输出电流。通过在从转换器的远程传感导线上注入一个电压来调节从电源，就可以实现主电源对负载输出电压的控制，保证较好的负载调节。这种主/从方法能带来非常高的电流共享精确度，在满负载情况下，电流共享精确度通常会高于3%。

图4 UCC39002负载共享控制器允许将多个独立电源并联

由于每一个并联电源都要求有一个负载共享控制器和数个外部分立组件，相对于压降或交错法而言，这种方法的组件数量要稍微多一些，并且成本也要偏高。另外，由于在启动期间，添加或移除单个电源时会导致一些问题，因此不建议将负载共享控制器与同步整流器一起使用。

主/从隔离式一次侧电流共享

可用于将多个电源并联的另一种技术是检测一个（主）电源的一次电流并将其与另一个（从）电源相比较。使用光学耦合器或变流器可提供一种在各电源之间进行电流信息通信的方法，同时保持隔离。由于能够以最低的成本达到较高的性能，因此变流器是最佳的选择。另外，与光学耦合器相比较，变流器具有较高的精确度。它们的精确度通常由匝比容差（其容差高于2%）和电阻容差（其容差通常为1%）来设置。光学耦合器的性能取决于其电流转换比的容差，最好情况下为30%。

结语

表1说明了四种负载共享方法的对比。压降法是其中最简单的方法，也是成本最低的方法之一，但其性能最低。此外，它还容许单点故障的发生。通常，性能最高的技术，即负载共享控制器，也是最为昂贵的解决方案。而使用交错式一次控制器或光学耦合器/变流器技术提供了一个成本和性能的折中方案。另外一些因素，如同步整流器的使用，以太网供电输入端的数量以及以太网供电输入端是否必须被相互隔离等，在选择一种方法以前都需要考虑。在应用中使用合适的技术将会确保用户可以从以太网供电中获得最大的电力。