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PoE (パワーオーバーイーサネット) ソリューションの設計

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PoE (パワーオーバーイーサネット) は、ネットワークケーブルを使用して電力を伝送する電力供給方式です。この方式には、給電デバイス (PSE)、受電デバイス (PD)、およびネットワークケーブルが含まれます。IPデバイスアプリケーションの人気により、PoEは、その低いインストールコスト、スケーラビリティ、管理の容易さ、およびグローバルな互換性により、ユーザーの間で広く普及しています。

2003年にPoE IEEE 802.3afプロトコルが提案されてから10年以上が経過した後、PoEでサポートされる最大送信電力は現在90W (IEEE 802.3bt) に達しています。図1は、インターネットプロトコル (IP) 電話、IPカメラ、アクセスポイント、5G屋内基地局などの代表的なPoEアプリケーションを示しています。

図1: 代表的なPoEアプリケーション

ネットワークケーブルの構造とアプリケーションの仕様により、設計者はPoEソリューションについて次の条件を満たす必要があります。

  • PoEタイプ、送電サイズ、および適切な物理接続方法に従って、正しい回路接続を選択。
  • 検出、電力分類、ソフトスタート段階など、プロトコルハンドシェイクを正常に一致させる。
  • 最小PSE電力保守要件を満たします。PDがPSEに十分な電流信号を生成して、電力出力を維持し、誤った切断を回避できることを確認する。

PoEの設計

PoE設計は、PSEとPDのプロトコルハンドシェイク、およびPDのDC/DC変換で構成されます。

回路のプロトコルハンドシェイクは、長距離およびローカライズされた監視制御を使用する独自のプロトコル産業用制御システム (ICS) と、データ取得システムに依存しています。PDのDC/DC変換に焦点を当てることにより、PoEソリューションは、回路トポロジー、PoEサイズの最適化、PoE効率、および電磁障害回避 (EMC) 問題分析の4つの部分に分割できます。

回路トポロジー

PoEアプリケーションのコストは、回路トポロジーのタイプによって異なります。分離されていないトポロジー (IP電話や屋内IPカメラなど) は費用対効果が高くなりますが、広範なセキュリティオプションが提供されないというトレードオフがあります。一方、分離されたクラストポロジー (たとえば、産業用アプリケーションまたは5Gスモールベースシステム) は、高い安全性を提供し、屋外または高電力アプリケーションでより一般的です (図2を参照)。

図2: 異なる回路トポロジー間のトレードオフ

PoEサイズの最適化

最も一般的な反応回路の場合、スイッチング周波数を上げることで電源のサイズを最小限に抑えることができます。さらに、設計者は、連続導通モード (CCM) と、一次側レギュレーション (PSR) モードを備えたオリジナルのエッジフィードバック方式を選択できます (図3を参照)。

図3: 電源サイズを最小化するための高周波、CCM、およびPSRモードの使用

MP8017は、統合PDインタフェースとフライバックコンバータを備えたIEEE802.3af互換PDです。ICを最適化するために、MP8017は補助巻線を必要とせずに一次側レギュレーションを提供します。また、アクティブクランプ・フライバック・トポロジーの二次側レギュレーションに設定することもできます。このICには、検出と分類機能があります。また、電流制限、設定可能なソフトスタート時間、周波数ディザリングによるEMI低減、および過負荷保護 (OLP) や過熱保護 (OTP) などの保護も備えています。MP8017は、PoE PDアプリケーションのフロントエンドソリューションをサポートします。

PoEの効率の向上

反応回路の電力損失は、主にパワーMOSFET、トランス、およびダイオードに集中しています。図4は、スイッチ、導通、変圧器、およびダイオードの全体の損失発生分析を示し、一連の最適化手段を提供します。

図4: 反応回路の電力損失の分析

EMC問題の分析

2つの実用的なスキームがEMCの問題に対処するのに役立ちます。複数の電子機器が互いに悪影響を及ぼし、過度の電界強度を生み出す場合、EMIの問題が発生する可能性があります。

EMCの問題を軽減するための最初の方法は、スイッチング速度を下げ、吸収回路を増やし、高周波回路を短くしてノイズ源を減らすことです。2番目の方法は、結合経路でのノイズ伝達を抑制するようにEMCフィルタを設計して、結合経路を抑制することです。

さらに、制御チップの安定化機能により、ノイズスパイクを大幅に低減できます。同じ条件下で、安定化機能を備えたコンバータは、EMC規格を満たす可能性が高くなります。

結論

本稿では、PoEの一般的な要件とPDのDC/DC変換の設計について説明しました。MPSは、簡素化されたBOM、効率的なEMC特性、およびその他の設計上の利点を備えた、現在のすべてのプロトコルレベル (af、at、およびbt) 用のPoE電源ソリューションを提供しています。

PoE応用の詳細については、アクティブクランプフォワード・コンバータの設計に関する第1部および第2部シリーズをお読みください。

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