PoE-btアプリケーション用アクティブクランプ方式フォワードコンバータを設計 (パート I)

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はじめに

従来のAC電源モードと比較すると、PoE (パワーオーバーイーサネット) 電源は、既存のイーサネットケーブルを介して電力の供給とデータの送信を同時に行うことができます。電源ケーブルとデータケーブルを統合することにより、PoEアプリケーションは費用効果が高く、柔軟な設置を提供します。PoEソリューションは、アプリケーションがより多くの電力を要求し続けるにつれて、複数の業界で急速に人気が高まっています。

この記事は、PoE-btアプリケーション用のアクティブクランプ方式フォワードコントローラを設計する方法を探る2部構成のシリーズの最初の部分です。パートIでは、PoEアプリケーションのほか、フォワードコンバータトポロジとアクティブクランプの基本について説明します。

Power over Ethernet (PoE) の開発

図1は、PoE機能がどのように進化してきたかを示しています。2003年、PoEは、802.3afプロトコルと呼ばれる最大電力13Wのデバイスしか提供できませんでした。最終的に、13Wは増大する電力需要に対応できなくなったため、2009年に802.3atプロトコルがリリースされました。このプロトコルは、電圧と電流の仕様を改善し、最大25.5Wの電力を供給できるようにしました。ごく最近、最大71Wの電力を供給することにより、PoEアプリケーションの急速な発展に対応するために、2019年に802.3btプロトコルがリリースされました。

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図1: PoEの進化

PoEソリューションの大部分は、受電デバイス (PD) と給電デバイス (PSE) の2つで構成されています (図2を参照) 。PSEとPDの両方がAC電源から電力を受け取りますが、PSEは電源のように動作しますが、PDは電力を消費します。PSEがPDに電力を確実に供給するために、互換性のないプロトコルでPSEデバイスに接続されている場合に、ハンドシェイクプロセスを使用してPDを損傷から保護します。

図2:PoEの主要コンポーネント

一般的なPSEデバイスには、ネットワークスイッチとルータが含まれます。一般的なPDデバイスは、IP電話、セキュリティカメラ、および基地局で構成されます。MPSは、af、at、およびbtプロトコル用の包括的なソリューションを提供します。これらのソリューションには、プロトコル、DC/DCコントローラ、統合プロトコル、電源ICのほか、さまざまな電力レベルのアプリケーションが含まれます。たとえば、MP80xxシリーズ製品は、af、at、およびbtプロトコルと互換性のある高度に統合されたDC/DCコンバータおよびコントローラを備えています。

現在のすべてのPoEプロトコルで設計をサポートするDC/DCコントローラであるMP6005について考えましょう。MP6005は、ローエンドのアクティブクランプ回路を使用しており、フライバックトポロジとフォワードトポロジの両方で使用して、PSEから電力を伝送できます。

トポロジ比較

安全性と信頼性を向上させるために、PoEアプリケーションでは絶縁回路がよく使用されます。フライバックおよびフォワードコンバータには通常、100W未満の電力を供給する絶縁回路があります。図3に、基本的なフライバックトポロジ (左) と基本的なフォワードトポロジ (右) の一般的な絶縁回路を示します。

図3: フライバックおよびフォワードコンバータの一般的な絶縁回路

フライバックコンバータと比較すると、フォワードコンバータは変圧器のスイッチングプロセス中にエネルギー貯蔵を必要としません。その結果、パワーデバイスにかかる電流ストレスが少なくなるため、効率が向上します。ただし、フォワードコンバータは、より多くのスイッチングデバイスをより高いコストで必要とします。

フォワードコンバータは、低電圧および高出力電流のアプリケーションに最適です。同時に、フォワードコンバータの効率をさらに向上させるために、一次側のアクティブクランプと二次側の同期整流回路が追加されることがよくあります。表1は、アクティブクランプ方式フライバックコンバータとフォワードコンバータのサイズとコストを比較しています。

表1:フライバックコンバータ vs. フォワードコンバータ

  フライバックコンバータ フォワードコンバータ
部品 サイズ 費用 サイズ 費用
電源トランス 大きい より高い 小さい 標準原価
出力インダクタ 小さい より低い 大きい 標準原価
バイアスインダクタ - - 小さい より低い
リセットFET - - SOT-23 より低い
同期整流FET 1つ より高い 2つ より高い
出力コンデンサ 1個以上 より低い 2つ未満 より低い

 

フォワードコンバータの設計

図5は、トランスによって絶縁されたフォワードコンバータのトポロジを示しています。ここで、QMAINはメインスイッチ、QAUXは補助スイッチ、QFは2次側フリーホイールMOSFET、QRは2次側整流MOSFET、LOは出力インダクタです。

図5: フォワードコンバータトポロジ

アクティブクランプ

絶縁回路の一般的なクランプ回路には、RCDクランプとアクティブクランプが含まれます。RCDクランプ回路では、磁化インダクタンス (および漏れインダクタンスの一部) のエネルギーは、RCDの抵抗を介して放散されます。これにより、トポロジの全体的な効率が低下します。メインMOSFETの高電圧スパイクは、電磁干渉 (EMI) の問題を引き起こすだけでなく、2次側同期整流MOSFETの動作時に問題を引き起こす可能性があります。この問題については、パートIIで詳しく説明します。

アクティブクランプ回路は、RCDクランプ回路の欠点を克服します。アクティブクランプは、磁化インダクタンスと漏れインダクタンスのエネルギーを回復するだけでなく、メインスイッチMOSFETの電圧スパイクを抑制します。補助スイッチは、ソフトスイッチングモードでも機能して効率を向上させることができます。アクティブクランプ回路は、補助MOSFETの位置に基づいて、ハイエンドコンポーネントとローエンドコンポーネントに分けることができます。たとえば、MP6005はローエンドのアクティブクランプ回路を使用します。

一次側メインMOSFETがオフになると、スイッチング電圧は磁化インダクタンスのリセット電圧とクランプコンデンサ電圧で構成されます。クランプコンデンサの値が大きいほど、スイッチング電圧の振幅が小さくなり、クランプコンデンサの共振周波数が低くなり、磁化インダクタンスが低くなります。制御ループの帯域幅は通常、共振周波数の5分の1から3分の1の間に設定されるため、クランプ容量が大きすぎたり、制御ループの応答速度に影響を及ぼしたりすることはありません。

まとめ

この記事では、PoEソリューションの進化と主要コンポーネント、フライバックコンバータとフォワードコンバータのトポロジ比較、およびアクティブクランプを含む一般的なクランプ回路について説明しました。 パートIIでは、さらに詳しく説明し、二次側同期整流MOSFET、二次スパイク吸収回路、およびPoE-btアプリケーションの効率検証プロセスについて説明します。

 

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