مقدمة بالمقارنة مع مصدر طاقة التيار المتردد التقليدي ، يمكن لمزود الطاقة عبر الإيثرنت (PoE) توفير الطاقة ونقل البيانات في نفس الوقت من خلال كبلات Ethernet الحالية. من خلال دمج خطوط الطاقة والبيانات معًا ، تتيح تطبيقات PoE إمكانية التثبيت المرن والفعال من حيث التكلفة. مع متطلبات الطاقة المتزايدة باستمرار للتطبيقات ، تكتسب حلول PoE شعبية سريعة في العديد من الصناعات.
سوف تستكشف مقالتان في هذه السلسلة كيفية تصميم وحدة تحكم مشابك أمامية نشطة لتطبيقات PoE-bt. هذه المقالة هي الأولى التي تقدم تطبيقات PoE وأساسيات طبولوجيا المحول الأمامي والتثبيت النشط.
تاريخ الطاقة عبر إيثرنت (POE)
يوضح الشكل 1 تطور وظائف PoE. ظهر PoE الأصلي في عام 2003 ، يمكنه فقط توفير طاقة قصوى تبلغ 13 واط للجهاز ، يسمى بروتوكول 802.3af. لكن 13W لا يمكنها تلبية الطلب المتزايد على الطاقة بعد كل شيء ، لذلك في عام 2009 ، ظهر بروتوكول 802.3at إلى حيز الوجود. قام البروتوكول بتحسين مواصفات الجهد والتيار ، مما يوفر ما يصل إلى 25.5 واط من الطاقة. يوفر أحدث بروتوكول 802.3bt ، والذي تم إصداره في عام 2019 ، ما يصل إلى 71 واط من الطاقة استجابةً للطفرة في تطبيقات PoE.
الشكل 1: تطور PoE
تتكون معظم حلول PoE من جزأين: جهاز يعمل بالطاقة (PD) وجهاز مصادر الطاقة (PSE) (انظر الشكل 2). بينما يستمد كل من PSEs و PDs الطاقة من مصدر طاقة AC ، فإن PSEs تتصرف كمصدر للطاقة ، بينما تستهلك PDs الطاقة فقط. لضمان قدرة PSE على توفير الطاقة لـ PD ، يحمي PoE PD من التلف عن طريق منع PD من الاتصال بجهاز PSE ببروتوكول غير متوافق من خلال عملية المصافحة.
الشكل 2: المكونات الرئيسية لـ PoE
تتضمن معدات PSE النموذجية مفاتيح الشبكة والموجهات ، بينما تشتمل معدات PD النموذجية على هواتف IP وكاميرات الأمان والمحطات الأساسية. توفر MPS حلولاً شاملة لبروتوكولات 802.3af / at / bt تغطي البروتوكولات ووحدات تحكم DC / DC والبروتوكولات المتكاملة و ICs للطاقة واستهداف التطبيقات عند مستويات طاقة مختلفة. على سبيل المثال ، منتجات سلسلة MP80xx متكاملة للغاية ومحولات ووحدات تحكم DC / DC متوافقة مع 802.3af / at / bt.
خذ MP6005 كمثال ، وحدة تحكم DC / DC تدعم جميع تصميمات بروتوكولات PoE الحالية ، فهي تستخدم دائرة مشبك نشطة منخفضة الجانب يمكن استخدامها في كل من هياكل flyback والأمامية ونقل الطاقة من PSE.
مقارنة الطوبولوجيا
غالبًا ما تستخدم دوائر العزل في تطبيقات PoE لتحسين السلامة والموثوقية. عادةً ما يكون لدوائر العزل لكل من محولات flyback والمحولات الأمامية أقل من 100 واط من الطاقة. يوضح الشكل 3 دائرة عزل مشتركة لطوبولوجيا flyback الأساسية (يسار) وطوبولوجيا أمامية أساسية (يمين).
الشكل 3: دارات العزل التي توجد عادة في محولات flyback والأمامية
على عكس محولات flyback ، لا تتطلب المحولات الأمامية تخزين الطاقة أثناء تبديل المحول. لذلك ، تكون الكفاءة أعلى بسبب تقليل الضغط الحالي على جهاز الطاقة. ومع ذلك ، تتطلب المحولات الأمامية المزيد من أجهزة التحويل وبالتالي تكلف أكثر.
المحولات الأمامية مثالية للتطبيقات ذات الجهد المنخفض والتيار الناتج العالي. علاوة على ذلك ، غالبًا ما تضيف المحولات الأمامية دوائر المشبك النشطة من الجانب الأولي ودوائر المعدل المتزامن من الجانب الثانوي لتحسين كفاءتها. يقارن الجدول 1 الحجم والتكلفة بين محولات flyback النشطة والمحولات الأمامية.
الجدول 1: مقارنة محولات Flyback و Forward
تصميم محول إلى الأمام
يوضح الشكل 5 طوبولوجيا محول أمامي مع عزل المحولات ، حيث Qالأساسية هو المفتاح الرئيسي ، سAUXهو المفتاح المساعد ، QF هو الجانب الثانوي الطليق MOSFET ، Qص هو المعدل الجانبي الثانوي MOSFET ، L.اهو الحث الناتج.
الشكل 5: طوبولوجيا المحول الأمامي
نشط المشبك
تشتمل دوائر المشابك الشائعة في دوائر العزل على مشابك RCD ومشابك نشطة. في دائرة المشبك RCD ، يتم تبديد الطاقة في الحث الممغنط (وجزء من محاثة التسرب) من خلال المقاومات الموجودة في التجمع الكونغولي من أجل الديمقراطية ، مما يقلل من الكفاءة الكلية للطوبولوجيا. لا يمكن أن تتسبب طفرات الجهد العالي في MOSFET الأساسي في حدوث مشكلات في التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) فحسب ، بل قد تتسبب أيضًا في حدوث مشكلات في المقوم المتزامن الجانبي الثانوي MOSFET. سنقوم بالتفصيل هذا في المقال التالي.
تتغلب دائرة المشبك النشطة على أوجه القصور في دائرة المشبك RCD ، ولا يمكنها فقط استعادة طاقة الحث الممغنط ومحاثة التسرب ، ولكن أيضًا قمع ارتفاع الجهد على MOSFET التبديل الرئيسي. يمكن أن تعمل المفاتيح الإضافية أيضًا في وضع التبديل الناعم لتحسين الكفاءة. بناءً على موضع MOSFET الإضافي ، يمكن تقسيم دائرة المشبك النشطة إلى مكونات عالية الجانب ومنخفضة الجانب. على سبيل المثال ، يستخدم MP6005 دائرة مشبك نشطة منخفضة الجانب.
عندما يتم إيقاف تشغيل MOSFET الرئيسي الجانبي الأساسي ، يتكون جهد التبديل من جهد إعادة تعيين محاثة الممغنطة والجهد لمكثف التثبيت. تتوافق القيمة الأكبر لمكثف المشبك مع سعة جهد تبديل أقل ، وتردد رنين مكثف مشبك أقل ، ومحاثة مغنطة أقل. نظرًا لأن عرض النطاق الترددي لحلقة التحكم يتم عادةً ضبطه بين خمس وثلث تردد الطنين ، لا يمكن أن يكون مكثف التثبيت كبيرًا جدًا ، وإلا فإنه سيؤثر على سرعة استجابة حلقة التحكم.
لخص
في هذه المقالة ، نستعرض تطور حلول PoE ومكوناتها الرئيسية ، ونقارن بين طبولوجيا المحول flyback والمحول الأمامي ، ودوائر المشبك الشائعة ، بما في ذلك دوائر المشبك النشطة. ستلقي المقالة التالية في هذه السلسلة نظرة أكثر تعمقًا على MOSFET للتصحيح المتزامن للجانب الثانوي ، ودوائر امتصاص ارتفاع الجانب الثانوي ، وعملية التحقق من الكفاءة لتطبيقات PoE-bt.
المصدر: Core Source Systems