为 POE-bt 应用设计有源钳位正激变换器（上）
品慧电子讯与传统交流电源相比，以太网供电（PoE）电源可以通过现有以太网电缆同时供电并传输数据。通过将电源线与数据线集成在一起，PoE 应用能够实现高性价比以及灵活的安装。随着应用对电力需求的不断增长，PoE 解决方案在众多行业中迅速普及。
本系列的两篇文章将探讨如何为 PoE-bt 应用设计有源钳位正激控制器。本文为上篇，介绍PoE 应用以及正激变换器拓扑和有源钳位的基础知识。
以太网供电 (POE) 的发展历程
图 1 显示了 PoE 功能的演变历程。最初的PoE出现于2003年，它只能为设备提供最大13W的功率，称之为802.3af协议。但13W终究无法满足日益增长的功率需求，因此2009 年，802.3at 协议应运而生。该协议改进了电压和电流规格，提供高达 25.5W 的功率。最近的802.3bt 协议于 2019 年发布，它提供高达 71W 的功率，以应对PoE 应用蓬勃的发展。
图1: PoE的演变历程
大多数 PoE 解决方案都由两部分组成：受电设备 (PD) 和供电设备 (PSE)（见图 2）。虽然PSE和PD都从交流电源获取电力，但PSE 的行为类似电源，而PD则纯粹消耗电力。为确保PSE能为PD供电，PoE通过一个握手流程防止PD连接到协议不兼容的PSE设备上，从而保护PD免受损坏。
图2: PoE的主要组成
典型的PSE设备包括网络交换机和路由器，而典型PD设备则包括IP 电话、安全摄像头和基站。MPS 提供满足802.3af/at/bt协议的全面解决方案，这些方案涵盖协议、DC/DC 控制器、集成协议和电源 IC，并针对不同功率级别的应用。例如MP80xx 系列产品，均为高度集成且兼容802.3af/at/bt协议的DC/DC变换器和控制器。
以 MP6005为例，这是一款支持当前所有PoE 协议设计的DC/DC 控制器，它采用低端有源钳位电路，可同时用于反激和正激拓扑并从PSE 传输功率。
拓扑结构比较
PoE 应用中常采用隔离电路来提高安全性与可靠性。反激和正激变换器的隔离电路通常都具有低于100W的功率。图 3 显示了基本反激拓扑（左）和基本正激拓扑（右）的常见隔离电路。
图3: 反激和正激变换器中常见的隔离电路
与反激变换器相比，正激变换器在变压器的开关过程中不需要能量存储。因此，由于功率器件上的电流应力较小，所以效率更高。但是，正激变换器需要更多的开关器件，因而成本更高。
正激变换器非常适合具有低电压和大输出电流的应用。而且，正激变换器还常常添加原边有源钳位电路和副边同步整流电路以进一步提高其效率。表 1对有源钳位反激变换器和正激变换器之间的尺寸和成本进行了比较。
表1: 反激变换器与正激变换器的比较
正激变换器设计
图 5 显示了由变压器实现隔离的正激变换器拓扑结构，其中QMAIN 是主开关，QAUX是辅助开关，QF 是副边续流 MOSFET，QR 是副边整流 MOSFET，LO是输出电感。
图5: 正激变换器拓扑
有源钳位
隔离电路中常见的钳位电路包括RCD钳位和有源钳位。在RCD 钳位电路中，磁化电感（以及部分漏感）中的能量通过 RCD 中的电阻耗散，这会降低拓扑的整体效率。而主MOSFET 上的高压尖峰不仅会导致电磁干扰 (EMI) 问题，还会造成副边同步整流MOSFET 上产生问题。我们将在下一篇文章中对此进行详述。
有源钳位电路克服了RCD钳位电路的缺点，它不仅可以恢复磁化电感和漏电感的能量，还可以抑制主开关 MOSFET 上的电压尖峰。辅助开关还可以采用软开关模式工作来提高效率。根据辅助MOSFET的位置，有源钳位电路可分为高端和低端组件。例如，MP6005就采用了低端有源钳位电路。
当原边主 MOSFET关断时，开关电压由磁化电感的复位电压和钳位电容电压组成。较大值的钳位电容器对应于较低的开关电压幅度、较低的钳位电容器谐振频率和较低的磁化电感。因为控制回路的带宽通常设置为谐振频率的五分之一至三分之一之间，所以钳位电容不能太大，否则会影响控制回路的响应速度。
总结
在本文中，我们回顾了PoE解决方案的演变历程及其主要组件，比较了反激和正激变换器拓扑，以及常见的钳位电路，包括有源钳位电路。 本系列的下一篇文章 将更加深入地探讨副边同步整流MOSFET、副边尖峰吸收电路以及PoE-bt应用的效率验证过程。
