基于集成场效应管的以太网供电控制器设计要点
以太网供电(POE)控制器的供电端设备使用高压大电流场效应管来连接电源和负载。在以太网供电控制器中集成场效应管可以减少以太网供电子系统的空间需求，同时也减少了元器件数量。例如，一个标准的TO-223的场效应管和2个检测电流的0805封装的电阻，这个外部的场效应管使用了大约50平方毫米封装面积每个端口。当控制器尺寸增加，每个端口的封装面积大约在70平方毫米，比集成场效应管的典型的以太网供电控制器少了近20平方毫米。
集成场效应管的太网供电控制器还具有额外的优势，包括因元件数量减少，更少的互联、以太网供电控制器故障保护和电流限制，所带来的的更高的可靠性。当集成了场效应管，电流检测电阻一般也会集成。这样可以降低噪声和偏移的影响，通常允许使用更小检测电阻以达到更小电流检测时的功率损耗。
使用集成场效应管的以太网供电控制器的优势是令人信服的。减少尺寸也必须要更小心，以避免在正常和瞬态条件下出现过热的情况。让我们来仔细看看在使用集成场效应管的以太网供电控制器时所必须采用的预防措施。以用芯科实验室最新发布的集成片上场效应管的Si3452以太网供电控制器为例。
场效应管电流承载要求
直到最近，对以太网用电端设备和供电端系统所需要的功耗是154.W。最近通过修订的IEEE标准802.3at™针对2类电路(Cat5E或更好的线缆)将功率电平增加到了30W。直流和瞬态电流限值性能及典型电流限值如表1所示。
表一：场效应管电流承载需求
直流电流值
当使用集成场效应管时，需要小心，因为通常一个芯片可以支持4个或更多的端口，这样的结果是功率损耗是来自于所有端口的组合。
例如，芯科实验室的SI3452 4端口以太网供电控制器有最大的场效应管组合和0.6欧姆的电流检测电阻。在最坏的情况下，所有4个端口的电流为600 mA。消耗的功率为1.2W(包括VDD和VEE的消耗)。这个SI3452是6X6毫米的QFN封装带裸露焊盘，为了散热，推荐奖裸露焊盘通过25个过孔连接到PCB板背面的热扩散层。建议布局时，每颗芯片至少1平方英尺的铜箔面积。在没有气流时热阻为32°C/W。最坏的情况下，温升是小于40°C的。SI3452额定的结温是125°C。因此，在85°C工作是可以的，即便没有强空气冷却。图一显示了测量到SI3452在4端口最坏情况下600mA电流时，其温升是34.6°C。
图1：:SI3452 4端口电流都为600mA时，测量到的温升
瞬态状况
场效应管必须防止故障和启动时出现的瞬态状况。通常情况下，场效应管的源极是通过电流检测电阻连接到高达-57V的VEE。漏极钳位到地。最坏的情况是故障导致57V的漏极电压加在场效应管上。
当使用外部的场效应管，用以太网控制器测量场效应管的温度来保护场效应管是不现实的。因此，场效应管电流限制和过载时间(Ticut)必须调整到场效应管的安全工作区域(SOA)以下(参见图二)。
2类 – 57V, 800mA, 15msec, 
无折返 
有折返
1类 – 57V, 425mA, 60msec, 
无折返 
有折返
图2： 典型场效应管安全工作区域曲线
从图二可以看到，所需的电流限制和时间是非常接近三极管的安全工作区域的。在这种情况下必须使用一种特殊的技术，称为折返电流限制，使用这种折返电流限制方法，当场效应管漏极电压增加超过一定值时(典型值为25V)，电流限值能降低。
使用集成了场效应管的方式，使得放置热传感器贴近场效应管成为可能。如果热传感器激活，电路设置将场效应管关闭，这样提供了在故障状态时，防止场效应管出现损坏的一个额外的安全等级。通常情况下，这些技术都是组合使用的，使得集成场效应管的方式能在故障状态下得到更好的保护，尽管其封装尺寸很小。
这种方式有一个问题需要关注，就是在一个端口出现故障时，可能出现在另一个端口上出现热过载提示。这个问题能够通过在每一个场效应管附近放一个热传感器来避免。这样能在每个端口上出现严重过载时能够被检测到。不严重过载时能够通过监测端口电流和将端口关闭一段时间来保护。这些方法的组合能够防止一个端口出现故障影响到其他端口。
表2总结了集成场效应管的以太网供电控制器的问题以及处理这些问题的技术。
表2
通过使用上述的技术，场效应管能够安全的集成到以太网供电控制器里，这样能显著的降低成本，元器件数量和印制电路板面积。图3和4显示了12个端口的集成场效应管的SI3452和没有集成场效应管的12个端口的方案的典型布局比较。
图3：12个端口的SI3452集成场效应管(背面没有器件)
图4：12端口不带集成场效应管的典型布局
(场效应管在背面,图片尺寸和图4相同)
对比图3和图4的图片，只需要1平方英寸的散热层，集成场效应管的以太网供电控制器方案，其印制电路板面积不到无集成场效应管方案面积的一半，甚至背面也没有元器件。集成场效应管的以太网供电控制器减少了元器件数量，物料成本和电路板尺寸，最终提供了以太网供电设备系统的可靠性。
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