基于SI3402 的以太网供电电源设计及实现

赵冬青，康 宇，上官鹏，储成群

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.北京控制与电子技术研究所，北京 100032）

随着智能家居以及工业自动生产线的不断发展，有源以太网（POE）供电技术作为工业以及日用电器的伴生技术取得了巨大的进步[1]。POE 供电是通过局域网线由设备端提供48 V 工作电压供电，网络终端无需采用电源适配器单独供电[2]。在POE 供电诞生之初，并没有得到IEEE 批准的统一供电标准，而是采用空闲对供电作为主要的供电方式[3]。2003 年6 月，IEEE 批准通过了IEEE 802.3af（15.4w）标准，它首次明确了远程系统中电力检测和控制事项，并对路由器、交换机、集线器、IP 电话以及其他以太网接入设备的供电方式进行了约束。

至此，POE 供电走向了微型化与大功率化两个方向，现今在IEEE802.3bt 标准中，POE 受电设备功率在TYPE4 中可达到90 W[4]。而对于小型化来说，许多以太网小型家用电器与工业设备都得到了POE供电的支持，支持POE 供电也渐渐成为了客户对小型用电器的一个重要要求。

SI3402 是芯科（SILICON LABS）推出的一款集成了以太网供电功能的电源管理和控制功能的芯片，其供电原理是基于反激式开关电源的POE 供电技术。开关电源是一种高频化的电能转化装置，输出电压由开关管的导通与关断在固定周期内所占时长控制[5]。而反激式开关电源是在初级线圈被电源激励时输出端无激励产生的，当初级端开关关断时次级端才向负载提供输出的开关电源，拥有安全隔离、输出稳定、外围电路简单的特性[6]。SI3402 可将通过10/100/1 000 兆以太网提供的高压电源转化为可调节的低压输出电源，可支持IEEE802.3 TYPE1(CLASS3 及以下功率)，实现了IC 与RJ45 连接器的直接连接，并且本身为5 mm×5 mm 小封装，节省了大量布板空间成本，所以SI3402 是小型电器设备POE受电端电源管理芯片的优秀选择。

1 反激式开关电源的原理

1.1 反激式开关电源的基本原理

如图1 所示，反激式开关电源的硬件系统由二极管整流电路、DC-DC 转换电路、反馈控制电路几部分组成。反激式隔离DC-DC 的工作原理如下：

图1 反激式开关电源硬件系统图

1）二极管整流桥将交变电压转换为正向脉动电压；2）反激式变压器初级线圈充能，CMOS 开关开启，此时次级端由于二极管反向截止，不会输出电压；3）CMOS 开关关闭，次级线圈输出，为滤波储能电容电感充能，储能滤波电容电感向用电端供能；4）输出电压与基准电压源形成压差，通过光耦与限流电阻反馈回误差放大器，从而控制占空比，稳定输出电压[7]。

1.2 反激式开关电源元件参数选择原理

根据需求的功能选择开关电源外围电路参数，是硬件电路设计的重要部分。其中，反激式开关电源供电电路中需要选择的外围电路参数有储能变压器初次级端线圈参数、开关场效应管参数、输出整流滤波电路元件参数、采样反馈回路元件参数以及PWM 控制芯片的参数。

电压变换电路的变压器初次级线圈在工作电路中起到储能作用，线圈的储能能力与受电端功率关系到反激式开关电源的工作方式[8]。初级线圈与次级线圈的匝数比影响着变压器峰值电流与开关场效应管的最大耐压值，需仔细选型。

当线圈工作在断续工作模式时，线圈每一轮供电将完全释放储存的电能,并且所有能量都将由线圈提供，设计时需留有一定的损耗裕度(ε)，一般将ε记为90%，输出功率公式如下：

其中，Po、Io以及Vo分别为输出功率、输出电流以及输出电压，Ip、Lm、f分别为初级端峰值电流、磁化电感以及开关频率。

次级端输出电压根据设计需要选取相应的匝数比，评估产品时，对初次级端峰值电流也要有相应的考量，否则会出现变压器过热、寿命减短，甚至功能错误等问题。

次级端电流求取公式如下：

其中，N为初次级线圈匝数比，Vf为二极管正向导通电压，Vp为初级端峰值电压，通过开关管耐压值可以确定容许的最大匝数比N。上述公式中变量皆为已知量，若工作于断续传输状态，则输出电流如式（2）所示，若输出电流大于Io，则因为变压器初次级端将时刻有电流流过，从而工作于连续模式。

根据变压器需求，如工作于连续模式下，则占空比趋于恒定，与负载电流的变化无关，占空比计算公式如下：

在连续工作模式下，开关管接通时有如下关系式：

其中，Iavg为初级端均值电流。

在连续工作模式下，当开关管接通时，初级端电流将发生变化，其中变化电流ΔI计算公式如下：

通过上述公式可求得初级端峰值电流Ip，以供选取连续传输模式下变压器具体参数，计算方法如下述公式所示：

选择变压器参数要根据实际需求出发，一味地增大感值会增加多余的空间成本以及经济成本。增加匝数比将减小峰值电流（尤其是一次侧），但与此同时会增加开关管的电压与开关管的峰值电压。在电路中一般使用钳位电路限制开关管两侧压值，起到了保护开关管以及降低开关管耐压值需求，从而节约成本的目的。匝数比还需要由受电端需求的输出电压确定。断续传输和连续传输也各有优势，断续传输应用于低功率负载，连续传输则应用于大负载电路。连续传输模式输出电压纹波相比断续模式较小，且连续模式输出电压与负载电流无关。断续模式虽然输出电压受负载电流影响，且为控制占空比恒定，占空比需要随负载电流变化，但断续传输模式的转换效率明显更高，且断续模式感量小，储能变压器体积较小，且初级端功率管再次开启前电流已经下降到0，没有二极管反向恢复引起的振铃现象和由此产生的EMI 问题[9]。在设计SI3402 外围电路时，应根据实际需求，根据上述公式，通过拟定各变量以寻求适合产品方案的最优解。

2 SI3402的外围电路设计实例与器件选择

2.1 SI3402-C的内部结构分析

如图2 所示，SI3402-C 的内部结构包含内置整流桥与保护模块、POE 设备检测以及功率选级模块、热插拔与负载电流限制模块、热插拔控制与偏置模块、PWM 控制和EMI 限制、输出端开关管。

图2 SI3402-C内部结构图

RDET 与RCL 引脚分别为PSE 端对PD 设备的检测端和功率分级端，通过供电设备向受电设备传输的两个间隔1 V 以上的电压，通过得到的两个电流值，判定受电设备以及功率分级[10]。CT1、CT2、SP1、SP2携带的交流输入通过内置整流桥整流成为正向脉冲电压，通过VPOSF 供给到POE 变压器初级侧。HSO热插拔开关控制了系统的启动，保证设备的输入电压在正常区间内启动。通过FB、EROUT 引脚接收的反馈控制了SI3402输出的电压占空比，稳定输出电压。

2.2 SI3402-C的外围电路设计

SI3402 原理图如图3 所示，图中CT1、CT2、SP1、SP2 信号是RJ45 连接器通过以太网变压器得到的4根中心抽头，作为电压输入端，RCL 作为POE 供电功率选择端，RDET 为POE 供电检测引脚，通过控制RDET阻值即可控制RDET 端的输入电流。

图3 SI3402原理

如表1 所示，SI3402 的最大输出功率由输入端引脚RCL 的输入电流决定。通过控制图3 中R5阻值即可改变RCL 引脚的输入电流，从而控制功率等级的选择。

表1 受电功率选择表

功率等级对应的输出功率及其他参数如表2 所示，可见PSE 端到PD 端功率转化效率随PSE 端输出功率增大而减小，PD 端最终的输出功率为PD 最大输入功率的80%，即实际输出功率。

表2 功率等级参数表

根据IEEE 802.3af 协议，PSE 端在与PD 端接通后将送出一个小电压用于检测受电设备是否支持POE 供电，一般RCL 端输入电阻选择24.3 kΩ。如在设计中使用外置整流桥，由于温度对整流桥电路的影响，需要24.9 kΩ 的电阻将电流控制在要求范围内。SI3402 带有片上整流桥，在输出功率较低的情况下可以使用SI3402 内置整流桥，SI3402 的结温为140 ℃，在160 ℃下将关断。在输出功率较高的情况下需要考虑使用外置整流桥，防止SI3402 过热，然而不论是否使用外置整流桥，SI3402 都需要在Layout中单独提供一层散热平面以供散热。

如图3 所示，SI3402 在工作模式下将向变压器输入端提供57 V 脉动电压，且设计的输出功率与输出电压已知，则根据式（2）与实际设计需求，可得到符合工程要求的设计，初级端感值Lm为40 μH，开关频率受SI3402 限制，为350 kHz，由于输出功率与输出电压受限于工程需求，损耗裕度默认为90%，能够接受的变压器体积成为设计参数的主要影响因素。

在反激式开关电源中，纵使处于连续工作模式下，在初级端电流流动时，次级端依旧是没有电流流动的，因此输出中总会有较大的纹波，必须在输出端用滤波电路来处理输出[11]，所以在输出端使用π 型滤波器处理电源纹波。虽然RC 滤波器能够节约成本和布板空间，但LC 滤波效果更好且衰减更小，因此选用了LC 滤波。LC 滤波中，为获得更小的ESR，可以采用并联电容作为LC 滤波的次级电容。

TLV431 通过取样电阻来检测输出电压的变化量ΔU，然后将采样电压送入TLV431 的输入控制端，与TLV431 的基准电压进行比较，则输出电压也因此发生变化，从而使光耦TLP281 中发光二极管的工作电流呈线性变化。光电耦合器输出电流通过SI3402内置的误差放大器[12-13]，并通过脉宽调制稳定输出电压，使输出电压满足设计需求。

D3、D4、整流二极管和瞬态抑制二极管形成TVS 瞬态抑制电路。钳位电路共有三种拓扑，分别为TVS、RCD、LCD[14-15]，其中TVS 拓扑虽然拥有最差的电源转化效率，但对开关管的保护效果最好，开关管两端波形最平滑，对开关管要求最低，故而选用TVS 拓扑，将SI3402 输出端脉动电压尖峰抑制在开关场效应管耐压值的80%以下，以确保开关场效应管工作正常。

3 基于SI3402 的POE 供电的实现与实机测试

3.1 供电系统的测试要求

由于受电端电源管理模块的设计初衷是为监控及工业相机提供稳定、安全的供电方法，为长时间、稳定的工业生产或安保系统提供受电端的保障。所以对于POE 供电模块的测试提出了以下几点要求：1）具有长时间连续工作的能力；2）为前端传感器提供的电源稳定可靠、纹波低于设计值、支持图像传感器正常工作；3）工作过程中各部分波形符合设计理论情况[16-20]。

供电模块部分器件由于长时间工作于极限状态，将导致供电模块易失效、易损毁。有几个比较重要的关键波形与数值需在功能有效的情况下单独测试，以确保产品可靠，如变压器输入端峰值电流、输出端纹波、开关管峰值电压。

3.2 供电系统的实机测试

为测试实际效果，SI3402 电源管理模块实物如图4 所示，其中左图为顶部，右图为底部。

图4 SI3402电源管理模块实物图

如图5 所示，根据设计要求，为受电设备供给12 V 直流电源，电压上升时间（90%）为2 ms，图中可见电压上升平稳，未见上电过程中掉电的情况，也无明显的过冲现象。如图6 所示，为防止高频噪声干扰电源纹波的测量，示波器调整为20 MHz 交流档位以检测电源纹波，电源输出纹波为20 mV，为输出电压的0.2%，符合设计之初低于压值1%的设计要求。经测得，线圈次级端输出功率为3.5 W，电流为0.3 A，工作于断续模式下，与通过式（2）中理论计算得到的次级端输出电流基本一致，选择的变压器与线圈符合设计需求，满足了预设计需求。

图5 SI3402上电中电源管理模块上电波形图

图6 SI3402电源模块输出电压纹波图

开关管两端电压波形如图7 所示，可见开关管峰值电压无尖峰，可见TVS 电路对开关管保护效果显著。

图7 SI3402开关管电压波形图

POE 供电模块在实验中可至少连续工作一个月，且产品已经在工业生产线上使用，能够满足工业生产线以及监控安保设备对产品长时间连续工作的需求，且传感器对输入电压稳定性的要求也得到了满足。

4 结论

文中实现了一种基于SI3402 的POE 供电受电端电源管理电路，该电路具有长时间稳定工作的能力，并且已经应用于产品中，获得了较好的反响。同时，SI3402 的POE 供电电路原理以反激式开关电源的设计角度，阐释得较为清楚，能对今后需求SI3402 或其他POE 供电受电端电源管理芯片的设计提供一定的参考意义。

经过实机测试，理论计算与实际结论基本一致，输出电源稳定，证明了设计思路的可行性，但有所不足的是，如果在电源供电和POE 供电同时连接的情况下，电源突然停摆后无法做到电源到POE 供电的快速转换，约有3.5 ms 的供电延时，摄像头组将停止工作并重启，后续将继续思考优化与改进方案。且根据IEEE 802.3af 协议的约束，PSE 端到PD 端的线缆总阻值只允许最高为20 Ω，这意味着PSE 端到PD端的线缆长度受到了不能超过100 m 的限制，今后，POE 供电的便利性仍有待提高。