一种适合VoIP电话应用的低成本 PoE 接口

一家领先的网络管理解决方案供应商曾希望为其新一代 IP 语音 (VoIP) 产品寻求简单的功率转换级方案。为此，Power Integrations (PI) 开发出一种适用于电话上的以太网供电 (PoE) 分立接口电路，以帮助 OEM 厂商满足其设计和成本目标。

如今，支持 PoE 功能的集线器、路由器和交换机正逐渐成为标准设备。因此，众多的 OEM 在设计其无线接入点设备、VoIP 电话和闭路安保摄像头时，都采用通过连接到通信网络的 CAT-5 电缆进行供电的方案。

用电设备 (PD) 中的 DC-DC 功率转换级必须将其功率要求传输给供电设备 (PSE)，以便 PSE 能通过电缆向其供电(如图 1 所示)。功率转换器需要降低和调节电缆电压，并能适应在 CAT-5 以太网上传输电源造成的显著线路压降。在高功率负载情况下，压降尤为明显。这就为设计带来了一些问题。

图1 PoE供电原理

简单、低成本且可靠的受电设备电源解决方案

为使 PoE 接口和功率转换级在支持 2 级和 3 级受电设备的同时满足客户的 BOM 成本目标，PI 推出采用 DPA-Switch系列高集成度功率转换 IC 的 DC-DC 转换器设计，从而提供了高可靠性的解决方案。采用 DPA-Switch 可有效简化设计流程，结合分立接口电路设计所带来的成本降低，可使 OEM 在满足其成本目标的同时，符合在功能、可靠性和稳定性等方面的要求。此外，该方案还减少了使用的元件数目，这不但可以降低总体成本，而且能提高平均故障间隔时间 (MTBF) 和 DC-DC 转换级的可靠性。

一种灵活的低成本解决方案

该方案仅采用少数分立元件，即可实现满足 IEEE 802.3af 标准要求的用电设备/供电设备接口。此外，它还非常灵活，只需更改单个电阻值，用电设备就能将自己分类为 0 类、1 类、2 类或 3 类设备。

DPA-Switch 系列 IC 在单个 CMOS 芯片上集成了高频功率 MOSFET、PWM 控制器和众多的保护功能。这既可简化设计流程，又能减少 DC-DC 转换级的元件数目。DPA-Switch 系列的各个 IC 分别为不同尺寸的 MOSFET，因此输出功率可通过更改使用的 IC 进行调整。 

考虑到 VoIP 应用的具体情况，PI 选择采用 DPA423P 器件来设计 DC-DC 转换级。由于 VoIP 电话只需要单路 3.3 V 电压输出和最大为 2 A 的电流，因此转换器采用反激式设计(如图 2 所示)以节省成本。初始情况下，VR31 和 VR32 会抑制分级和 PWM 电路，直到成功完成签名阶段。在识别签名后，提供给受电设备的电压将升高，直到齐纳二极管 VR31 开始导通。然后，打开一个恒流源，以提供分级电流信号，该信号将由供电设备进行读取。级别由 R34 的电阻值决定。在成功确定用电设备类别后，电压将再次升高并通过 VR32 打开 Q35，从而使功率转换级开始工作。恒流分级电路将通过 R35 停用，以降低功耗。 

图2 基于DPA423P的反激式DC-DC转换器设计

输入大容量电容(C1 和 C2)被分成两部分，并形成一个简单的 π 型滤波器，以抑制差模EMI 干扰。电阻 R4 和 R6 降低 MOSFET 的内部电流限制，并使其最大负载周期与输入电压成比例变化，从而获得可靠的最大(输出)功率限制。这种方式简化了转换器的设计，同时还可采用较低电压和电流 (30 V, 4 A) 的肖特基二极管作为输出整流器。电阻 R5 激活 U1 的输入欠压锁定 (UVLO) 和过压关断功能，而电阻 R21、R22、R23 和 Q20 则强化了欠压锁定功能的滞后效应，以适应 IEEE802.3af 以太网电源应用中的高电压降情况。 

当输出电压超出规定值时，DPA-Switch 的自动重启功能可将供电设备的输出功率限制至满负载时的 4％ 左右，而不必依靠断开 IC 的 VDD 电源来进行保护。从而为供电设备和负载设备提供了充分的保护。

结语

为实现真正的通用性，PoE用电设备解决方案必须符合 IEEE 802.3af 标准。PI 提出的用电设备简化设计已经过 IEEE 802.3af 标准的权威机构--英国新罕布什尔大学互操作性协会 (UNH-IOC) 的检验，并且检验结果表明：该设计不仅符合 IEEE 802.3af 标准，而且能够应用于目前的所有供电设备。有关 UNH-IOC 检验报告副本以及经证实可与 PI 解决方案配合使用的供电设备列表，可从网站 www.powerint.com/PoE上获取。

该方案能充分满足客户对接口电路的设计简单性、可靠性、稳定性以及权威认证和成本效益等方面的要求；同时，DPA-Switch 系列集成电路还具有多功能性和伸缩性，从而允许客户快速简便地将该方案应用于其它用电设备当中。