POE簡介

作者：TI 工程師 Iven Su, Max Han

POE (Power Over Ethernet)指的是在現有的乙太網Cat.5布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基於IP的終端傳輸數據信號的同時，還能為此類設備提供直流供電的技術。TI公司的TPS23753A是一款集成有POE介面並且內置峰值電流模式DC-DC 控制器的PD晶元。它支持IEEE 802.3at的13W, type 1的PD介面標準，適用於VoIP電話、無線AP等多種PD系統。

圖1：PoE供電方式

IEEE 802.3標準中提出了乙太網的隔離要求，安規測試IEC60950 標準中要求乙太網線與任何消費者可能接觸處都要實現隔離。然而在一些實際應用當中，不需要實現電路系統隔離也可以滿足相應標準的隔離要求，例如使用塑料外殼的低成本路由器和無IO擴展的電子標誌牌等等。

非隔離拓撲：Floating Buck

非隔離的Floating Buck拓撲是由Buck拓撲變化得來。如下圖所示，將傳統Buck電路的開關管由輸入源電流流出路徑移動至返迴路徑，使開關管的源極與輸入源共地。這樣，簡單的低邊控制器便可以應用於此拓撲當中。

圖2：Buck變換器（左）和Floating Buck變換器（右）的拓撲結構

Floating Buck拓撲的輸入輸出關係

Floating Buck拓撲的輸入輸出關係和傳統Buck拓撲一致。在穩態條件下，Floating Buck拓撲的輸入輸出電壓滿足：

CCM模式：

DCM模式：

其中， 和 分別是變換器的輸入、輸出電壓， 為輸出電感， 為輸出負載， 為開關工作頻率， 為開關波形占空比。

TPS23753A Floating Buck設計實例：

圖3：Floating Buck設計實例電路

由於Floating Buck變換器的負載與輸入源不供地，因此不能採用常見的非隔離直接反饋方式。本實例中採用了一種新穎的非隔離方式進行反饋補償，如上圖所示，設計中使用了一對PNP三極體，將浮置電路中採樣、比較生成的誤差信號注入其中一隻三極體的基極，將此電壓誤差信號轉變為三極體的集電極電流信號，從而實現對地耦合。同時，由於三極體處於誤差放大器後級電路中，其靜態電流大小不影響對輸出電壓的直流採樣，因此三極體的溫漂不會對輸出電壓精度產生影響。

此外，本設計中還包含軟啟動電路，此電路的作用是在系統上電時，通過對TLV431補償網路的輸出電壓鉗位，實現系統的軟啟動功能。

測試結果：

表1：TPS23753A Floating Buck測試結果

測試項測試結果輸出電壓12V輸出電流1.5A工作頻率200kHz輸出電壓動態性能（峰峰值）176mV@12V,0-0.5A,250mA/us輸出電壓紋波30mV@12V,1.5A效率90%@12V,1.5A負載調整率0.88%@12V,0-1.5A穿越頻率14.9kHz相位裕量83.0°

圖4：Floating Buck實測效率曲

圖5：Floating Buck環路測試波特圖

根據實驗結果，基於TPS23753A的floating buck電路可以實現高效率、高精度和低紋波輸出，滿足多種PD設備的供電系統需求。

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