許多現(xiàn)有的以太網(wǎng)設備都從采用墻上適配器電源轉向采用新推出的 IEEE 802.3af 以太網(wǎng)供電 （PoE） 標準。過去采用墻上適配器時，電源系統(tǒng)效率不算是大問題，但采用 PoE 情況卻有所改變。功能電路開始從 10W 范圍汲取電能的應用需要嚴格控制用電。

一旦執(zhí)行 802.3af 標準要求的功能，首先，我們將確定可用的凈功率。其次，我們將介紹常見 DC/DC 轉換器的建模方法，計算出應用電路可用的功率，并將給出兩種拓撲范例進行比較。建模過程使設計人員能在設計最初的電路前明確拓撲方式與技術問題。

PoE 前端損耗

圖 1 給出了基本的結構圖，顯示了電源設備 （PSE） 通過DC/DC 轉換器與應用電路的互連。相關計算得出了表 1 所示的結果，計算中假定 PSE 輸出（最低 44V）通過 20Ω 線纜連接至 PD。PD 前端帶有變壓器（總共 1Ω，中心抽頭兩側各 0.5Ω）、全波網(wǎng)橋以及串連 1Ω 開關 （FET） 的熱插拔控制器（即 PD 控制器）。

表 1 PoE 配電與前端損耗分析

PD 功能電路最大可用功率為 12.16 W。802.3af 標準規(guī)定的線纜損耗在最糟糕情況下為 2.45 W，而輸入二極管橋路決定著前端額外損耗為 0.78 W。

圖 1，基本 PoE 結構圖

功率轉換級建模

簡單建模技術幫助設計人員在進行實際設計前了解不同拓撲與技術選擇的效果。簡單的效率假定可提供快速定性結果，可進行拓撲比較與優(yōu)化。最終結果可能與假定的相比沒有什么偏差，因此設計人員始終應規(guī)定可用功率低于上述結果，留有一些余量。

首先，我們不妨來看看一個單級轉換器至一個輸出電壓的基線。效率達 90% 的 3.3V 單輸出轉換器將產生 0.9×12.16 = 10.9W 的可用輸出功率。盡管 90% 的效率可能偏于樂觀，但它確實提供了一個與其它拓撲進行比較的基線。

其次，我們將估計更復雜電源提供的輸出功率。我們用簡單建模技術來研究每個穩(wěn)壓器的拓撲與技術如何影響輸出功率。我們假定電流為 0.2A、2A、0.25A、0.25A 時，輸出電壓分別為 +5V、3.3V 、2.5V、1.8V。這樣合計得到的合理功率為 9.6W。

圖 2 顯示了兩種可能的電源架構與技術選擇。拓撲 1 說明了現(xiàn)有設備設計的調整情況，其 12V 墻上適配器用 48V 至 12V 的前端替代。拓撲 2 試圖使可用功率最大化。

圖 2，兩種電源拓撲選擇方案

為了評估該模型，我們從最右邊的穩(wěn)壓器開始，計算其損耗與總輸入功率，隨后使用上述結果評估其左邊的下一個穩(wěn)壓器。為了簡單起見，我們假定開關效率為 90%，且線性穩(wěn)壓器沒有偏置電流。以下總結了各穩(wěn)壓器類型的計算結果。

定義

IOUT = 應用負載電流

PIN_Next_Stage = 下行轉換器或線性穩(wěn)壓器汲取的功率

線性穩(wěn)壓器級

POUT＝（VOUT×IOUT）＋PIN_Next_Stage

PIN＝VIN× POUT/VOUT

PLoss＝PIN－POUT

開關穩(wěn)壓器級

POUT＝（VOUT×IOUT）＋PIN_Next_Stage

PIN＝ POUT/Effiviency

PLoss＝PIN－POUT

表 2，拓撲 1 模型

用表 2 中的數(shù)據(jù)，我們對圖 2 所示的拓撲 1 模型進行計算。我們不妨來看看表 2 中鏈 1 下面部分的數(shù)據(jù)，從 1.8V 穩(wěn)壓器的輸入功率與損耗開始；我們注意到這里沒有下一級功率。2.5V 穩(wěn)壓器的計算與此類似，這里的輸出功率包括到負載的 0.25A 乘以 2.5V，加上之前計算得出的 1.8V 穩(wěn)壓器的輸入功率。3.3V 開關穩(wěn)壓器的輸入功率是總輸出功率除以該級的效率 （0.9%）。 3.3V 穩(wěn)壓器的功耗仍為輸入功率減去輸出功率。上部分的計算方式類似鏈 2 數(shù)據(jù)。48V 至 12V 穩(wěn)壓器的參數(shù)與 3.3V 穩(wěn)壓器的計算類似，這里的總輸出功率為上部與下部輸入功率之和。為了掌握該拓撲的性能，我們將各部分損耗加在一起，視在效率計算如下：

效率＝1－Total-Losses/Input-Power

表 2 中可用的輸出功率為輸入功率減去所有計算得出的各部分損耗。

拓撲 1 的輸入功率超出了可用量。為了給出更有趣的結果，我們對所示的 3.3V 負載進行調整，直到輸入功率為 12.16W 為止。表 2 中的黑體數(shù)值反映了 3.3V 電源負載從 2A 降至 1.83A 的情況。

拓撲 2 用表 3 中數(shù)據(jù)建模的方式與拓撲 1 類似，不過略有不同。一個虛擬的 3.3V 穩(wěn)壓器建模時效率為 1，以得出正確的功率與損耗的總數(shù)。

表 3，拓撲 2 模型

拓撲 2 中 48V 至 3.3V 轉換器所用的 90% 的效率就實際的同步輸出整流器電路而言是相當樂觀的數(shù) 值。

結論

考慮 802.3af 標準功能之后，12.16W 是其它電子設備可用的最大功率，包括穩(wěn)壓器損耗。

PoE 應用的拓撲與技術選擇的影響相當驚人。拓撲 1僅向應用電路提供 8.11W 的功率，而拓撲 2 可提供 10.43W 的功率，提高了 28%。如果基線單輸出轉換器為 10.9W，那么拓撲 2 中所有額外三個輸出處理只消耗 0.47W！3.3V 轉換器采用二極管輸出轉換器（85% 的效率）代替同步整流器，這使可用功率降低 0.61W。

該建模技術使得設計人員可根據(jù)拓撲與技術選擇迅速計算可用的輸出功率，并使用該信息在可用功率、復雜性與成本等各因素間進行綜合平衡。

為了評估該模型，我們從最右邊的穩(wěn)壓器開始，計算其損耗與總輸入功率，隨后使用上述結果評估其左邊的下一個穩(wěn)壓器。為了簡單起見，我們假定開關效率為 90%，且線性穩(wěn)壓器沒有偏置電流。以下總結了各穩(wěn)壓器類型的計算結果。