乙太網饋電網（Power-over-Ethernet；PoE）

網際網路像電視及電話一樣，不但是消費者經常使用的通訊及娛樂工具，更是日常生活的一部分。由於無線路由器、網路攝影鏡頭、網路電話（VoIP電話）等設備的應用日趨普及，上網已遠比以前方便，網際網路所提供的服務也日趨廣泛。而這些設備都需要供電才可作業，因此它們可稱為「受電設備」（Powered Device；PD）。表面上這些設備可以採用交流電插座提供的供電，但這樣做需要另外鋪設電纜，因此這個方案不太受歡迎。在這裏將提出一個較好的解決方案，就是利用原本只用來傳送資料的乙太網電纜，將電力由乙太網集線器輸送往「受電設備」。這個方案的優點是無需另外鋪設電纜。

乙太網集線器所提供的供電電壓及乙太網電纜可以承受的電流量各有極限。為了確保饋電時電壓及電流不會出現過載，以及為「受電設備」與乙太網集電設備 （PSE）之間的介面制定一個統一而簡單的標準，IEEE組織已就 802.3af乙太網饋電網制定一系列的技術規格，以確保乙太網饋電網的負載反應不會超出有關的規範。

《圖一　利用第 5 類（CAT-5）電纜饋電》

IEEE 802.3af 技術規格

按照 IEEE 802.3af技術規格的規定，乙太網集電設備可以利用第5類（CAT-5）或第6類（CAT-6）電纜將44伏特（V）至57伏特的供電電壓輸送往「受電設備」，輸電可透過電纜的冗餘導線或使用傳輸資料的導線傳送。若要使用傳輸資料的導線饋電，則必須在乙太網電纜的兩端裝設變壓器，以便將供電及資料訊號集合一起及分開。

(圖一)顯示適合採用這兩種饋電方法的電路。由於不同電纜導線的輸電能力各不相同，因此輸電功率可分為4W、7W及最高的15.4W等三種，而乙太網集電設備則可按照不同的功率分為四個不同的作業類別。劃分這幾個類別的好處是乙太網集電設備可以為每一電源供應器提供不超過其所需的功率，以便更多的設備可以獲得供電，而且隔離及非隔離的「受電設備」都可獲得供電。

乙太網集電設備按照以下程序核實電源供應器的要求：電源供應器連接乙太網電纜之後，乙太網集電設備會啟動一個簽名偵測（Signature Detection）相位，在這個相位內進行偵測，看看電源供應器是否出現與0.1μF平行的25Ω初始阻抗。必須為電源供應器預先設定這個阻抗值。一旦證實這一阻抗的存在，乙太網集電設備便會將電壓輸入電源供應器，並隨即進行偵測，看看有關的電流是否出現，而不同的電流大小代表不同的作業方式，可以按照乙太網集電設備所需的功率大小將有關的工作劃分（Classify）為不同的作業類別。所偵測的電流一旦證實存在，乙太網集電設備便會為電源供應器提供所需的電壓，確保該類作業模式獲得所要求的最高供電。此外，流入電源供應器的浪衝及短路電流絕對不會超過450mA。由於要為電纜預留一點壓降，因此電源供應器必須可以在低至36伏特的電壓環境下繼續作業。

設計乙太網饋電網電源供應器需要考量的多個因素

以上所述清楚顯示每一乙太網饋電網電源供應器必須設有符合802.3af規格的受電設備介面（PDI）。為了符合這個規格，早期的乙太網回饋電網電源供應器都在前端加設離散電路。但這個方法的缺點是設計較為複雜，所需元件也較多，而且對電源供應器設計工程師的技術要求也較高。

部分晶片商於是便將這個設計加以改良，新舊設計的主要分別是新設計加設了受電設備介面，以確保符合有關的技術規格，再加設另一利用脈衝寬度調變（PWM）控制器組建而成的電源供應器。雖然這個設計較先前的一個較佳，但仍需兩顆設計複雜的積體電路為其提供支援才可充分發揮其效能。

第三個設計則將受電設備介面及脈衝寬度調變控制器整合到一顆單晶片之內，並在這個基礎上設計整個電源供應系統。這個解決方案的優點是體積最小，效能也最高。(圖二)顯示這三個不同的設計。

《圖二　採用不同電路設計的乙太網饋電網（PoE）電源供應器》

乙太網饋電網（PoE）電源供應器線路佈局的不同考量因素

對於乙太網饋電網的線路佈局來說，低成本及高效率是兩個最重要的考量因素。任何針對大眾消費市場的產品都必須控制低成本，而低成本的先決條件則是線路佈局須簡單。以上述的功率大小來說，馳回轉換器（Flyback Converter）自然是最理想的選擇。這是最基本的一種轉換器，所採用的絕緣式線路佈局不但最簡單及成本最低，而且最適用於需要提供多路輸出的系統。這個線路佈局還可另外加以配置，以便提供不論極性及大小的輸出電壓。

雖然馳回轉換器在進行低功率作業時，通常都採用間斷導電模式（DCM），但採用連續導電模式（CCM）作業反而可以充分發揮轉換效率。以連續導電模式為例，若輸出功率已定，主線圈場效應電晶體（FET）的均方根（RMS）電流量會較小。間斷導電模式有兩個優點很多時都會被人提及，作為支持採用這種作業模式的論據，其一是這樣便可採用較小巧的變壓器，此外，控制傳送函數（Transfer Function）之中令人煩厭的右半平面零點（Zero）可以上升至高頻範圍，導致這個半平面零點的數值只會產生微不足道的影響。但以乙太網饋電網的功率水平來說，若採用連續導電模式作業，變壓器的鐵心會更小，適合大部分的系統採用。此外，以乙太網饋電網的功率水平及輸入電壓範圍來說，很快便可根據有關數值計算出，右半平面零點正好處於這樣的高頻區之內，而這樣高的數值不會構成任何問題。以採用連續導電模式的馳回轉換器來說，其右半平面零點可以利用以下的公式計算出來：

《公式一》

在上述公式中，VIN是輸入電壓，D是主線圈場效應電晶體的佔空比，IIN是平均輸入電流，而L是變壓器的磁電感。以這個應用電路為例來說，若採用連續導電模式作業，變壓器磁電感的合理數值是100H，加上最低輸入電壓為36伏特（V），最高輸入電流為360mA，而主線圈場效應電晶體的相關佔空比為0.4，換言之，若上述數值已定，那麼無論在任何作業情況下，右半平面零點都會位於64kHz這個較低的頻率極限（z）。由於這個頻率已相當高，因此對於大部分乙太網饋電網的回授補償器設計來說，零點的影響畢竟微不足道。

一般來說，由於馳回轉換器利用其漏電電感儲存電能，因此這類變壓器的功率轉換元件都會出現較大電壓突波。但由於乙太網饋電網的最高輸入電壓只有 57 伏特，因此變壓器無需絕緣也可確保安全，而且漏電電感可以降至極低的水平。這個設計可以提高效率，以及大幅降低電壓突波，以致在一般的應用情況下都無需為乙太網回饋電網轉換器加設電壓緩衝電路及鉗位電路。

乙太網饋電網電源供應器的理想架構

前述內容中也顯示，連續導電模式馳回轉換器的線路佈局是最適合乙太網饋電網電源供應器採用的理想架構。連續導電模式馳回轉換器只需採用一顆整合了受電設備介面與 PWM 穩壓器的積體電路，因此線路佈局極為簡單，所需的支援電路也最少。對於不能承受太多輸出電壓漣波的應用來說，解決的辦法是在電源供應器的輸出端加設LC濾波器。目前部分較大的磁力裝置供應商紛紛推出各種不同的乙太網饋電網馳回變壓器，以滿足乙太網饋電網的不同功率要求。由於市場上提供更多選擇，因此要為連續導電模式馳回轉換器構思一個理想的線路佈局便顯得更為容易。

採用連續導電模式馳回轉換器的電源供應器若加設了二極體整流器，加上輸出功率若定為13W，那麼在一般的應用情況下（例如輸入電壓為48伏特而輸出電壓為3.3伏特），電源供應效率可達84%左右。輸出電壓若上升，效率則會上升。輸出電壓若下降，效率也會隨著下降。若輸出電壓不變，效率也可進一步提升，但缺點是成本會相應增加。以3.3伏特的輸出電壓為例，效率也可在輸出電壓不變的前提下提高至 90% 左右，但成本方面則會相對增加，因為要達到這個效果，不能再採用二極體整流器，則須改用同步整流器。

結論

乙太網餽電網電源供應系統除了必須符合IEEE802.3af的技術標準之外，售價也必須大眾化，而功率轉換效率也須較高。若要滿足低成本及高效率的要求，採用連續導電模式馳回轉換器組構電源供應器是最理想的方案，且這種轉換器積體整合電路除了具備802.3af所規定的所有功能之外，還同時可支援脈衝寬度調變控制功能。

（作者為NS美國國家半導體資深應用技術工程師）

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