QRZ.RU > Каталог схем и документации > Схемы наших читателей > Источники питания > Адаптер питания для систем стандарта PoE.

Адаптер питания для систем стандарта PoE.

Автор Геннадий Бандура
Email: Bandura (at) macrogroup.ru
www.macrogroup.ru тел. +7 (812) 370 60 70

Адаптер питания базового устройства систем стандарта PoE.

Как всем известно, структура телекоммуникационных систем стандарта VoIP и PoE подразумевает наличие базового устройства (с мощным AC/DC преобразователем), а также множества удаленных устройств (с маломощными DC/DC преобразователями), которые получают питание не по силовым кабелям, а по сигнальным, что значительно упрощает структуру сети (см. статью "Новый S-PAK корпус микросхем DPA-Switch компании Power Integrations для использования в технологих PoE и PoE-PLUS"). Ранее мы рассматривали структуру DC/DC преобразователя удаленного устройства на примере источника питания на базе микросхемы DPA423G (см. статью "Обратноходовый DC-DC преобразователь на микросхеме DPA423G для систем питания телекоммуникационного оборудования стандарта PoE и VoIP").

Теперь настала очередь базового устройства. Рассмотрим AC/DC преобразователь, который обеспечивает напряжение в 48 Вольт, необходимое для функционирования телекоммуникационных сетей стандарта VoIP и PoE.

Достоинства ИИП на базе микросхемы TOP246P:

Односторонняя печатная плата.

Сниженное число компонентов и стоимость изделия.

Устранены 2 Y-конденсатора.

Устранен фильтр во вторичной обмотке.

Высокий КПД.

Снижен уровеньЭМИ.

Встроенная защита от КЗ по выходу.

1) Внешний вид печатного узла.

Рис.1 Внешний вид печатного узла (вид сверху).

Рис.2 Внешний вид печатного узла (Вид снизу).

2) Спецификация.

Параметр
Обознач.

Мин.

Норма

Макс.

Ед.изм.

Примечание.

Вх. напряжение
Vin

85

-

265

VAC

-

Вых. напряжение
Vout1

47.52

48

48.48

V

+/- 1% полоса изм. 20MHz

Вых. пульсация
Vripple1

-

-

480

mVp-p

+/- 1% полоса изм. 20MHz

Вых. ток
Iout1

0

-

450

mA

+/- 1% полоса изм. 20MHz

Время удержания напряжения при отключении питания (115VAC).
Th(115VAC)

18

-

-

ms

+/- 1% полоса изм. 20MHz

Время удержания напряжения при отключении питания (230VAC).
Th(230VAC)

60

-

-

ms

+/- 1% полоса изм. 20MHz

Вых. мощность (средняя)
Pout1

-

21.7

W

+/- 1% полоса изм. 20MHz

КПД при полной нагрузке
n

-

80

-

%

-

ЭМИ

Стандарты безопасности

Соответствует CISPR22B / EN55022B, IEC950, UL1950 class 2.

-

Диапазон рабочих температур
Tamb

0

-

40

C

-

3) Схема.

Рис.3 Схема источника питания (кликните на рисунке для увеличения).

4) Описание работы:

Схема использует микросхему TOP246P (U2), которая состоит из силового МОП-транзистора и контроллера, которая в данном случае работает в обратноходовой конфигурации. Кроме этого схема использует встроенную функцию микросхемы по ограничения выходного тока, чтобы контролировать выходную мощность и по максимуму уменьшить габариты трансформатора.

Входной предохранитель F1 защищает источник от серьезного выхода из строя. Термистор RT1 ограничивает бросок тока во время запуска схемы. Диоды D5-D8 формируют выпрямитель для входного напряжения. Конденсатор С22 подавляет ЭМИ входных диодов.

Фильтр L1 используется для подавления и дифференциальных и синфазных помех от источника питания. Большая индуктивность фильтра обусловлена необходимостью предотвратить проникновение шума непосредственно с выхода источника в телекоммуникационную сеть. Конденсатор С2 представляет собой чать ЭМИ фильтра, путем шунтирования помехи идущей через трансформатор Т2. Конденсатор С4 подключен на выход фильтра L1 для формирования шины выпрямленного напряжения. Номинал резистора R14 устанавливает уровень ограничения тока TOPSwitch-GX (U2). Резисторы R6 и R9 меняют это ограничение всоответствии с входным питающим напряжением, для поддержания на одном уровне максимальную выходную мощность при изменении входного напряжения. Элементы D2, R2, C1 и R1 - составляют RDC цепь для ограничения выброса на стоке TOPSwitch-GX, обусловленного индукцией рассеяния первичной обмотки трансформатора. Элементы D3 и С8 формируют цепь питания микросхемы TOPSwitch-GX. Конденсаторы С13 и С14 обеспечивают развязку. Кроме этого номинал С14 устанавливает время запуска и авто-рестарта. Резистор R13 в паре с С14 обеспечивают компенсацию обратной связи. Резистор R41 питает светодиод U6, который горит зеленым цветом, когда источник работает в нормальном режиме.

Выходное напряжение в 48 вольт выпрямляется и фильтруется диодами D1 и D4, а также конденсаторами С5 и С7. Цепочка R18, C21 снимает высокочастотный звон этих диодов. Резисторы R8 и R15 контролируют выходное напряжение, предоставляя входной сигнал для опоры TL431 (U3). Резистор R41 обеспечивает питание U3 (примерно 1mA). Цепочка R12, C12 - обеспечивают компенсацию U3, для того, чтобы ограничить частотную характеристику в низкочастотной области. Резистор R10 определяет коэффициент передачи обратной связи, далее через U5A, сигнал обратной связи передается на первичную сторону. R45 и С15 увеличивают высокочастотный коэффициент обратной связи, чтобы подавить пульсации выходного напряжения. Диод Зенера VR1 используется, чтобы понизить выходное напряжение в 48 вольт до приемлемого для TL431 уровня в 30 вольт. Оптотранзистор U5B обеспечивает доставку сигнала обратной связи в микросхему TOPSwitch-GX.

5) Перечень элементов.

N
К-во
Обозн. Описание part number Производитель

1 1 C1 4.7 nF, 1 kV, Thru Hole, Disc Ceramic 5GAD47 Vishay/Sprague

2 1 C2 2.2 nF, Ceramic, Y1 440LD22 Vishay

3 1 C4 47 uF, 400 V, Electrolytic, Low ESR, 730mOhm, (16 x 25) KMX400VB47RM16X25LL United Chemi-Con

4 1 C5 180 uF, 63, Electrolytic, Low ESR, 145mOhm, (10 x 20) LXZ63VB181MJ20LL United Chemi-Con

5 1 C7 68 uF, 63, Electrolytic, Low ESR, 340mOhm, (8 x 12) LXZ63VB68RMH15LL United Chemi-Con

6 1 C8 10 uF, 50 V, Electrolytic, Gen. Purpose, (5 x11) KME50VB10RM5X11LL United Chemi-Con

7 2 C12 C15 1.0 uF, 50 V, Ceramic, Z5U ECU-S1H105MEB Panasonic

8 1 C13 100 nF, 50 V, Ceramic, X7R ECU-S1H104KBB Panasonic

9 1 C14 47 uF, 16 V, Electrolytic, Low ESR, 500mOhm, (5 x 11.5) LXZ16VB47RME11LL United Chemi-Con

10 1 C21 100 pF, 1 kV, Disc Ceramic NCD101K1KVY5F NIC ComponentsCorp

11 1 C22 47 nF, 275 VAC, Film, X2 ECQU2A473ML Panasonic

12 2 D1 D4 100 V, 1 A, Schottky, DO-41 SB1100 Fairchild

13 1 D2 1000 V, 1 A, Rectifier, Glass Passivated, 2us, DO-41 1N4007GP Vishay

14 1 D3 75 V, 300 mA, Fast Switching, DO-35 1N4148 Vishay

15 2 D5 D6 600 V, 1 A, Ultrafast Recovery, 75 ns, DO-41 UF4005 Vishay

16 2 D7 D8 600 V, 1 A, Rectifier, DO-41 1N4005 Vishay

17 1 F1 1 A, 250V, Slow, TR5 3,721,100,041 Wickman

18 1 J4 AC Input Receptacle and Accessory Plug,PCBM 161-R301SN13 Kobiconn

19 2 J5 J6 R/A, RJ45 Nonshielded, PCBM RJHS-5080 Amphenol Canada

20 1 L1 19 mH, 0.5 A, Common Mode Choke ELF15N005A Panasonic

21 1 L2 3.3 uH, 2.66 A 822LY-3R3M Toko

22 1 R1 100 k, 5%, 1 W, Metal Oxide RSF100JB-100K Yageo

23 1 R2 47 R, 5%, 1/2 W, Carbon Film CFR-50JB-47R Yageo

24 1 R6 3 M, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-3M0 Yageo

25 1 R8 182 k, 1%, 1/4 W, Metal Film MFR-25FBF-182K Yageo

26 1 R9 2.7 M, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-2M7 Yageo

27 1 R10 3.3 k, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-3K3 Yageo

28 2 R12 R40 1 k, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-1K0 Yageo

29 1 R13 6.8 R, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-6R8 Yageo

30 1 R14 9.09 k, 1%, 1/4 W, Metal Film MFR-25FBF-9K09 Yageo

31 1 R15 10 k, 1%, 1/4 W, Metal Film MFR-25FBF-10K0 Yageo

32 1 R18 10 R, 5%, 1/4 W, Carbon Film CFR-25JB-10R Yageo

33 1 R41 2 k, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-2K0 Yageo

34 1 R42 330 R, 5%, 1/8 W, Carbon Film CFR-12JB-330R Yageo

35 1 RT1 NTC Thermistor, 30 Ohms, 1.5 A CL210 Thermometrics

36 1 T2 Bobbin, EEL25.4, Horizontal, 10 pins YW-236-03B Yih-HwaEnterprises

37 1 U2 TOPSwitch-GX, TOP246P, DIP-8B TOP246P Power Integrations

38 1 U3 2.495 V Shunt Regulator IC, 2%, 0 to 70C,TO-92 TL431CLP Texas Instruments

39 1 U5 Opto coupler, 35 V, CTR 300-600%, 4-DIP ISP817D, PC817X4 Isocom, Sharp

40 1 U6 LED, Green, 5 mm, 565 nm, 30 mcd SSL-LX5093GD Lumex Opto

41 1 VR1 30 V, 5%, 500 mW, DO-35 1N5256B Microsemi

47 Всего

6) Печатная плата.

Рис.4 Разводка печатной платы.

9) Конструкция трансформатора.

Электрическая схема:

Здесь:

Pri-1 - Первичная обмотка.

С Sh - Компенсирующая обмотка.

P Sh - Первичная экранирующая обмотка.

Порядок намотки:

Вторичная обмотка

Первичная экранирующая обмотка

Обмотка питания

Первичная обмотка

Компенсирующая обмотка

Сердечник:

Core Type eel25

Core Material NC-2H or Equivalent

Estimated Gap length, mm 0.110

Gapped Effective Inductance, nH/t^2 358

Primary Inductance, uH 532

Каркас:

Bobbin Reference Generic, 5 pri. + 5 sec.

Bobbin Orientation Horizontal

Number of Primary pins 5

Number of Secondary pins 5

Margin on Left, mm 3.0

Margin on Right, mm 3.0

Первичная обмотка:

Number of Turns 39

Wire Size, AWG 28

Filar 1

Layers 0.88

Start Pin(s) 5

Termination Pin(s) 3

Обмотка питания:

Number of Turns 6

Wire Size, AWG 28

Filar 1

Layers 0.13

Start Pin(s) 1

Termination Pin(s) 2

Экранирующие обмотки:

Параметр Первичная Компенсирующая

Number of Turns 20 22

Wire Size, AWG 28 28

Filar 2 2

Layers 0.90 0.99

Start Pin(s) NC 3,4

Termination Pin(s) 3,4 NC

Вторичная обмотка:

Spec Voltage, V 48.00

Spec Current, A 0.45

Actual Voltage, V 48.00

Number of Turns 21

Wire Size, AWG 28

Filar 2

Layers 0.94

Start Pin(s) 6

Termination Pin(s) 7

10) Рабочие характеристики:

1. Зависимость КПД от выходной мощности и входного напряжения (комнатная температура).

Рис.5 Зависимость КПД от выходной мощности и входного напряжения.

2. Зависимость нестабильности выходного напряжения от нагрузки (комнатная температура).

Рис.6 Зависимость нестабильности выходного напряжения от нагрузки.

3. Зависимость нестабильности выходного напряжения от входного напряжения (комнатная температура).

Рис. 7 Зависимость нестабильности выходного напряжения от входного напряжения.

11) Сводная таблица рабочих режимов.

Замеры проводились в следующих условиях: Нагрузка была подключена на конце однофутового Ethernet кабеля, подключенным к коннектору J6. Напряжение замерялось на конце кабеля.

Vin

Pin

Vout1

Iout1

%Vout1

Iin

КПД

Pout

(VDC)

(W)

(V)

(A)

(%)

(A)

(%)

(W)

*

*

*

*

*

*

*

*

86.79

0.828

48

0

100.0%

0.010

0.0%

0.0

86.42

3.802

48

0.05

100.0%

0.044

63.1%

2.4

86.8

6.432

48

0.1

100.0%

0.074

74.6%

4.8

86.39

12.573

48

0.2

100.0%

0.146

76.4%

9.6

85.95

18.42

48

0.3

100.0%

0.214

78.2%

14.4

85.46

24.24

47.9

0.4

99.8%

0.284

79.0%

19.2

85.22

27.03

47.9

0.45

99.8%

0.317

79.7%

21.6

*

*

*

*

*

*

*

*

115.83

0.7734

48

0

100.0%

0.007

0.0%

0.0

115.74

3.2452

48

0.05

100.0%

0.028

74.0%

2.4

115.13

6.629

48

0.1

100.0%

0.058

72.4%

4.8

114.31

12.346

48

0.2

100.0%

0.108

77.8%

9.6

113.9

17.985

48

0.3

100.0%

0.158

80.1%

14.4

113.81

23.794

47.9

0.4

99.8%

0.209

80.5%

19.2

113.54

26.831

47.9

0.45

99.8%

0.236

80.3%

21.6

*

*

*

*

*

*

*

*

230.56

0.9012

48

0

100.0%

0.004

0.0%

0.0

230.1

3.878

48

0.05

100.0%

0.017

61.9%

2.4

230

6.78

48

0.1

100.0%

0.029

70.8%

4.8

229.41

12.405

48

0.2

100.0%

0.054

77.4%

9.6

229.71

18.825

48

0.3

100.0%

0.082

76.5%

14.4

229.39

23.478

47.9

0.4

99.8%

0.102

81.6%

19.2

228.87

26.994

47.9

0.45

99.8%

0.118

79.9%

21.6

*

*

*

*

*

*

*

*

265

0.9906

48

0

100.0%

0.004

0.0%

0.0

265.46

4.317

48

0.05

100.0%

0.016

55.6%

2.4

265.67

7.205

48

0.1

100.0%

0.027

66.6%

4.8

264.92

12.731

48

0.2

100.0%

0.048

75.4%

9.6

264.66

19.287

48

0.3

100.0%

0.073

74.7%

14.4

264.4

24.105

47.9

0.4

99.8%

0.091

79.5%

19.2

263.88

26.931

47.9

0.45

99.8%

0.102

80.0%

21.6

*

*

*

*

*

*

*

*

-

MIN

48

-

100.0%

0.317

81.6%

-

-

MAX

47.9

-

99.8%

0.004

0.0%

-

-

DELTA

0.1

-

0.2%

0.313

81.6%

-

12) Осцилограммы рабочего режима.

1.

Рис.8. 85VAC, полная нагрузка.

верхний график: Напряжение стока, 100V/дел.

нижний график: Ток стока 0,5A/дел. 2us/дел.

2.

Рис.9 115VAC, полная нагрузка.

верхний график: Напряжение стока, 100V/дел.

нижний график: Ток стока 0,5A/дел. 2us/дел.

3.

Рис.10 230VAC, полная нагрузка.

верхний график: Напряжение стока, 200V/дел.

нижний график: Ток стока 0,5A/дел. 2us/дел.

4.

Рис.11 265VAC, полная нагрузка.

верхний график: Напряжение стока, 200V/дел.

нижний график: Ток стока 0,5A/дел. 2us/дел.

13) Работа источника при пропадании входного напряжения.

На графике ниже можно видеть, что источник действительно соответствует требованию спецификации по удержанию выходного напряжения при пропадании входной сети.

Рис.12 Работа источника при пропадании входного напряжения. (полная нагрузка, 115VAC-вход).

Верхний график: Выходное напряжение 48 Вольт, 10В/дел.

Нижний график: Входное напряжение, 100В/дел, 20ms/дел.

14) Тепловые характеристики работы.

Замеры были произведены при входном напряжении 85 VAC (что является худшим случаем для КПД ). При замерах температура внутри термошкафа была 40С. Источник работал на электронную нагрузку. Источник был помещен в корпус, чтобы предотвратить существенное движение воздуха. Все изделие было нагрето до 40С втечении часа до измерений.

Результаты получились следующие:

Рис.13 Температура элементов источника в процессе работы.

Здесь:

AMB1 - температура окружающей среды.

D1 - температура выпрямляющего диода.

TOP246P - температура микросхемы TOPSwitch-GX.

Case - температура корпуса.

Для информации приводим точные данные замеров:

Время

AMB1

D1

TOP246P

CASE

0.1

40

40

40

40

0.9

40

52

55

40

1

40

57

59

41

2

40

61

70

43

4

40

65

73

45

8

41

72

87

51

16

42

82

99

60

32

43

83

105

64

64

43

85

107

65

128

43

85

107

65

Оригинал статьи вы можете прочитать на сайте Power Integrations.

Статью перевел и дополнил менеджер по направлению Power Integrations

Бандура Геннадий - Bandura (at) m-peter.ru

Макро Групп.