5结束语
本文介绍了高级电源管理控制芯片FS1610的原理和功能,给出了一个FSl610在基于ARM9处理器S3C2440设计的导航仪上的应用方案.采用该方案进行供电的导航仪,不但可以自由控制各个模块电源的开和关,而且可以在不需要的时候关闭模块,以便最小化整个系统的功耗.与传统的方法相比,选用FSl610不但可以明显节省电路板面积.提供更多的通道电压.而且控制也更加灵活
电源管理芯片在以太网供电中的应用
什么是以太网供电?
术语\以太网\是指 IEEE802.3 标准涵盖的各种局域网 (LAN) 系统.以太网协议是在工作场所,通过高速数据电缆将台式 PC 与中央文件服务器连接起来的协议.任何连接到以太网端口的设备,如数据终端、无线接入点、网络摄像机 (web cam) 或网络电话等,都需要通过电池或独立 AC 插座为自己供电.而更为优雅的方法则是能够向连接到以太网的任何设备同时传输电源和数据.如果这种传输方式能够利用现有的以太网布线,则可以保持 100% 的历史兼容性,那将再好不过了.这正是 IEEE802.3af 规范中定义的以太网供电 (PoE) 标准所提供的内容.这一新标准于 2003 年 6 月由 IEEE 批准,是通过以太网发送和接收电源信号的标准.PoE 的优点在于:
由于每个设备只需要一组连线,因此每个设备的布线更为简单和便宜; 免去了 AC 插座和适配器,使工作环境更安全、整洁,成本也更 低; 可轻易地将设备从一处移至另一处; 无间断电源可确保在 AC 电源
断电时继续为设备供电;可对连接到以太网的设备进行远程监控.
正是这些优点使得以太网供电成为一项从本质上改变了低功耗设备供电方式的全新技术.但就目前而言,推动 PoE 总有效市场增长 (TAM, Total Available Market) 的主力是两类用电设备:无线 LAN 接入点和 VoIP(网络语音)电话.至 2007 年,前者的复合年增长率 (CAGR) 为 38%,达 1500 万个(来源:iSuppli),而支持后者的企业网预计将达到 300 万个.对用电设备的这种需求反过来将推动现有以太网交换机向支持 PoE 功能转移的需求.这是通过使用\中继\来实现的,如图1所示.这些单元的增长至 2007 年预计将达到 800 万,增长率为 68%.
在图1的示例中,源头的以太网交换机通过一个\中继\以太网供电集线器将电源\注入\局域网的双绞线电缆来提供 PoE 功能.新的以太网交换机将集成该\中继\从而实现向通过高速数据电缆连接的用电设备 (PD) 供电.这些用电设备可以是网络摄像机 (web cam)、网络语音电话、无线局域网接入点和其他电器设备.不间断电源 (UPS) 将提供备用电源,以防市电断电. 电源管理器件用于转换电压和电流,可以用在以太网交换机中,以太网供电\中继\集线器中,以及位于用电设备中的 DC-DC 转换单元中.下面各段将对这些功能中的每个功能分别进行讨论.
电源管理器件在以太网交换机中的应用
最新的以太网交换机可以通过 24 或 48 个独立端口向用电设备提供 PoE 连接性,并与非 PoE 系统保持历史兼容.每台用电设备均由其自己的48V电源供电,每台用电设备的最大允许功耗为15.4W,以太网交换机可以对每台设备的用电单独进行管理.
IEEE802.3af PoE 规范最多允许在每台用电设备处消耗大约 13W 的功率,而以太网交换机提供的最大 15.4W 的功率是为了弥补长电缆带来的一定程度的损耗.48V 电源实际上允许在用电设备端使用36～ 57V 之间的任意电压.电压要求大约为最大开关电压的 2 倍(应对开关尖脉冲等的经验法则),要求电源开关必须采用额定VDS为 100V的分立 MOSFET.
图2 显示了一个PoE控制器,通过分立 MOSFET控制四个端口.在该例中,使用的是飞利浦半导体公司的四个 PHT4NQ10T 器件.这种配置相当于每个以太网交换机或中继采用 12 个 IC 和 48 个 MOSFET.到2007 年,用于\中继\电源管理的 MOSFET的总有效市场容量 (TAM) 将达到 5700 万美元(3 亿 8 千 4 百万只),而IC将达到 4800 万美元(9600 万片). PoE 控制器通常指的是\热插拔\控制器.这些 IC 的功能包括: 分别控制四个独立的 PoE 端口;
检测有效用电设备的连接; (使用低阻值的检测电阻)监测MOSFET 的稳态电流; 当一个用电设备第一次连接到个端口时,控制浪涌电流和MOSFET功耗; 具备欠流断开检测功能以确定用电设备是否已断开连接.
在正常工作情况下,当一个端口已经供电并且用电设备的旁路电容已经充电到端口电压时,外部 MOSFET 的功耗非常低.这意味着较小的 MOSFET 就能完成这个功能.然而,IEEE802.3af 的其他要求,例如加电时的浪涌电流以及不兼容的用电设备连接到端口的风险,要求 MOSFET 能承受很大的瞬态功耗.正是基于这些原因,才采用了分立 MOSFET 而不是集成方案. 对以太网交换机中的 MOSFET 的进一步要求是其在关断状态下的漏电流要非常低.IEEE802.3af 要求每端口绝对最大漏电流不得高于 12 A,而且这个要求还包括了除 MOSFET 之外其他可能存在的保护电路的泄漏途径.飞利浦半导体公司的 MOSFET 就是为满足此项要求而设计的,其最大漏电流仅为 1 A.
电源管理器件在用电设备 (PD) 中的应用
用电设备的框图如图 3 所示.来自以太网电缆的直流电源通过二极管桥式整流器恢复,因此消除了用电设备电路电压极性加反的可能性.当一个设备连接到一个 PoE 端口时,以太网交换机就执行一个\发现\程序以确定该设备是否为可接受以太网供电的设备,还是不支持 PoE 的老式设备.当用电设备断开时,也会执行\发现\程序.之所以需要这个发现程序是因为高电压 (48V) 连到许多传统设备上会造成设备损毁.有鉴于此,当电压与已有的传统设备兼容时,就会执行\发现\程序,只有在\发现\符合要求时才会提供高电压直流电源.IEEE802.3af 的\发现\机制是基于特性阻抗的检测来实现的.
通过确定从每个端口吸收的功率,供电设备 (PSE) 可辅助系统电源管理协议,根据系统供电的输出能力,确定其所能支持的用电设备总数.为了实现这种电源管理,IEEE802.3af 标准中加入了一种称为\分类\的可选方法.\分类\方法可以让用电设备向以太网交换机或\中继\集线器报告其最大功率需求,从而使电源管理协议能将未使用的功率分配给其他端口,充分利用已安装的电源容量.
接口控制器的功能是作为用电设备电路主电路的\通断开关\基于一个 100V 的 N 沟道 MOSFET 构建.仅当额定 48V 电源位于可接受容限以内时,接口控制器才会允许用电设备连接.此外,接口控制器通常还提供浪涌电流限制和故障电流限制功能.MOSFET 的浪涌性能则与上面以太网交换机应用中的 100V MOSFET 相当.
一旦\发现\过程完成,且接口控制器确定电源电压在容许范围内时,接口控制器的 MOSFET 就会开启,电源就施加到隔离 DC-DC 转换器.隔离 DC-DC 转换器需能在用电设备前端和用电设备电路的其他部分之间提供 1500V 的隔离(这是一种安全特性),并向用电设备电路的其他部分提供一个或多个低压直流电压,最大总功耗为 13W.该转换器的输入额定电压为 48V,采用通用的前向和返弛拓扑结构.这是常用的 DC-DC 转换器结构,与低功率电信电源极为相似.有多种控制器 IC 可以满足这一需求.如飞利浦半导体公司 GREENCHIPTM 系列中的开关电源 (SMPS) 控制器 IC 芯片 TEA1502.
据 VDC 预测,到 2007 年,高达 4.96 亿个端口将采用电源管理芯片.由于并不是所有的端口都会被利用到,当使用率为 50% 时,用电设备的总有效市场容量将为 2.48 亿. 小结
综上所述,PoE 是一项将改变设备供电方式的全新技术.假以时日,PoE 将成为很多设备所采用的普及技术.正是电源管理器件(既包括 IC 也包括 MOSFET)成就了这种改变.
基于电源管理芯片VB409的无变压器供电电源设计
在小型的MCU应用系统中,采用AC 220V供电时,一般要使用变压器对电源进行处理,将高压交流电降到低压后再进行直流处理,或者将交流电变为高压直流电后再进行高频变换,以得到MCU系统的工作电源.这对于结构没有特殊要求的系统,在设计上属于常规的问题,使用上述的线性电源技术或者开关电源技术,均能得到方便的解决.但是有些MCU应用系统在体积上要求极其小巧,甚至不能安放变压器,所以常规的电源处理就不能满足其要求了.因此,使用能够直接接收高压交流电并将其直接变换成低压直流的技术,是最佳的设计选择.VB409的出现有望实现这一设计思路. 1 VB409概述
VB409是ST公司推出的电源处理产品.其PENTAWATTHV(022Y)封装形式的产品大小与普通TO220封装的7805相近,只是引出脚为5个;还有一种PowerSO10封装的产品是10脚表面贴装式IC.输入端可以直接接入AC 220 V,且输入端允许的最高输入电压为AC 580 V.输出部分有2个: 一个是最终输出OUTPUT1,为+5V;另一个是芯片的中间输出OUTPUT2,典型值为16 V.对负载的供电能力为:OUTPUT1最大为80 mA,OUTPUT2最大为25mA.图1为VB409的内部结构图.
图1 VB409内部结构图
VB409采取的是导通角技术,即在交流电的一个周期中,根据负载的电流大小,自动调整每个周期的导通时间.也就是说,只在每个正周期的低压部分,从电源吸收电能,因此极大地降低了功耗,电流输出能力是线性电源的3倍.其工作波形如图2所示.
图2 VB409的工作波形
从图1中还可以看出,VB409还有输入、输出电流的限制和热保护功能.其作用在于:一方面当输出短路时限制电流的输出;另一方面当过载时关断芯片.
需要说明的是,OUTPUT1的输出范围为4.75～5.25 V,典型值为5 V,负载电流每增大1 mA,对输出影响为0.5mV,精度是比较高的;而OUTPUT2的输出范围为8～16V.因此,OUTPUT2的输出比较适合于作为继电器一类的驱动电源使用.如果想作为放大器的工作电源,则需要再进行一次降压式稳压. 2 VB409构成的电源系统 图3为VB409组成的电源电路.
图3 VB409组成的电源电路
图3中,D1实现半波整流,C2为涤纶电容,C3为高压电解电容,R1、R2为金属膜1/4 W电阻,C1耐压为25 V.
图1中,Vref1的电压为12V左右,Threshold端的电压高于Vref1将关断输入向输出的传送,Threshold端的工作电流最小为30μA.因此,R1与R2之和决定工作电流,R1与R2之比确定加在Threshold端的最高电压.图2中,t1、t2所处的位置对应的输入电压V1即关断的门限电压值.这个值的大小为: V1=Vref1. V1是变化的交流电,变化规律为:
在这里,将VIN等比例缩小至V1,可以提高期间的工作可靠性.
当输入电压为AC 220 V,Threshold端的工作电流约为120 μA时,R1+R2=1.86 MΩ.按此参数设置,当输入电压为AC 60 V时,Threshold端的工作电流约为30 μA,还能够正常工作.同理,适当配置R1和R2的值,还可以确定输入电压的有效范围,VB409允许最小输入电压可至12V.C1值的确定参见图1和图2.
C1提供输入短路关断时维持输出电路的电压,同时提供OUTPUT2较为稳定的输出.由于充、放电时间变慢,C1的值越大,OUTPUT2的输出电压值越低,但是能够提供较大的输出电流;反之,C1的值小,充、放电时间越快,OUTPUT2的输出电压值也就越高,但是能够提供的输出电流变小.一般C1的值在47～220 μF之间选择,典型值为100 μF. 3 实例MCU应用系统
使用VB409为主电源供给MCU应用系统,在设计之前,应首先估算系统的5 V电源的总功耗.计算时要将灌电流、拉电流一并计算.
图4为笔者设计的一个典型应用系统的原理图.图4为测量电能并在LCD上显示的MCU应用系统.CPU采用AT89C55WD,最大耗电量为20 mA(若采用STC89C58RD+,则耗电量可降至9 mA左右);LCD选用SO12864,采用COG式,连同背光最大耗电为20mA;功率/电能计量芯片CS5460的最大耗电量为5 mA,加上复位、键盘等最大耗电量小于50 mA;继电器输出没有画出,耗电量为12mA.因此,完全可以使用VB409供电,且系统体积小,完全可以放置在LCD背后.
图4 一个典型应用系统原理图
结语
由于没有变压器,因此就失去了电流的绝缘,所以采用VB409作为供电电源,要用在对电流绝缘没有要求的场合,例如洗衣机、中央供热、功率计量等.对于需要电流绝缘的场合,需在供电输入端加一个1∶1的小型隔离变压器,因为输入功率低,所以变压器的尺寸可以做得比较小,同时变压器的输出还可以使用电阻分压后再输入到VB409中.