Адаптер питания для систем стандарта PoE.

 

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.