在过去几年里,以太网供电的基准逐渐形成,其焦点是在新等级和类型的设备里,功率有系统地增加。根据有关以太网供电的TEEE 802.3at标准,供电设备要求以太网供电类型1的输出电压在44V全57V之间;而以太网供电类型2(PoE+)的输出电压在50V至57V之间。以太网开关的每个端口都必须能够输出154W(类型1)或25.5W(类型2)。对供电设备来说,输出要求某种形式的稳压,但严格的稳压是不需要的。有趣的是,最低电压的增加是因增加功率电平而增加了最大的线性压降,而未来的供电设备可能要求接近最大值57V的更小电压范围。对于具有24、36或48个端口的典型以太网开关来说所需求的总供电设备的功率可能高达1.2kW,这便推动了对更高效率和更高功率密度的转换器的需求。
对于一个典型的以太网供电-供电设备半砖式转换器来说,很难除去超过35W的损耗,即使是使用强大的气流或基板。图1展示了在半砖式转换器所要求的最小满负载效率与可实现的输出功率之间的关系。由于大多数商用的半砖式供电设备转换器已经具95%效率,所以即使是半个百分比的效率的改进也很重要,并可以使输出功率再额外增加100W。与其它砖式转换器一样,每瓦的成本($/W)是最重要的考虑因素,提高砖块效率及输出功率可以减少模块每瓦的成本。
图1 半砖式转换器达到指定的输出功率时所需的最低效率(假设最大功耗为35W)。
基于氮化镓场效应晶体管的供电设备转换器
针对采用48V至53V氮化镓场效应晶体管的半砖式供电设备转换器,我们选择了一个采用全桥同步整流器(FBSR)拓扑的相移全桥(PSFB)转换器,如图2所示(更全面的简图见图3)。两相交错式转换器不仅避免了采用并联器件所产生的复杂性,而且使用两个独立的转换器埋论上可通过切相来提高在轻负载时的效率。如图4的结果表明,轻负载效率在一个相位和两个相位工作时,至少可提高2%。每个开关转换器的工作频率为250KHz,其输出纹波频率为1MHz。图5显示由于开关频率的提高和相对较小尺寸的氮化镓场效应晶体管,我们可以在有限的体积中构建两个这样的转换器。选择(4:7)的变压器匝比意味着当VIN为60V时,副边绕组电压(不包括开关尖峰)大约是105V,因此副边可以使用200V的器件,原边则可以使用100V的器件。与传统砖块设计不同,磁性元件没有集成在主印刷电路板上,而是在几个独立的印刷电路板上。这样不仅能减少主印刷电路板所需的层数,而且允许输出滤波器使用传统的表面装贴电感。转换器使用八层、每层两盎司铜的印刷电路板。变压器绕组是通过在绕组窗口层叠两个八层及并联的印刷电路板而创建的。
图2 350W、全稳压的相移全桥(PSFB)拓扑,使用了氮化镓场效应晶体管实现全桥同步整流(FBSR)(两个为半砖、交错式的250kHz转换器)。
图3 工作在250KHz开关频率、基于氮化镓场效应晶体管的八分之一砖式、38V~60V至53V/700W转换器的简图。
图4 供电设备转换器在单相(一半转换器断电)和正常两相工作时的效率数据。
图5 基于氮化镓场效应晶体管的48V至53V半砖式供电设备转换器的顶视图和底视图(单位为英寸)。