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Par Werner Berns, Directeur du Centre de conception d’applications Europe, National Semiconductor, et Michele Sclocchi, Ingénieur d’applications senior, Gestion d’alimentation Europe, National Semiconductor

Les solutions PoE sont de plus en plus populaires car les dispositifs PoE ne nécessitent pas de blocs alimentation au mur et permettent des coûts système globalement inférieurs. En téléphonie IP (protocole Internet), les onduleurs (UPS) garantissent une fiabilité plus élevée et une sensibilité moindre aux pics de tension d’alimentation, au vol, à l’interruption ou à la déconnexion. En outre, l’usage universel du connecteur RJ45 assure la compatibilité mondiale des dispositifs PoE. Enfin, les dispositifs PoE offrent une souplesse de gestion supérieure grâce à leurs possibilités de mise en route et de coupure à distance. Mode de fonctionnement de l’appareil alimenté ( PD ) compatible avec la norme IEEE

L’IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, ou Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens) a approuvé la norme pour les produits PoE en juin 2003. La norme d’IEE802.3af garantit que l’alimentation fournie ne présente aucun risque ni pour l’appareil alimentant ni pour l’appareil alimenté ; que l’infrastructure de câblage soit préservée ; et que la présence de l’alimentation n’entraîne aucune dégradation de données. L’IEEE a normalisé l’utilisation d’une tension 48V continue fournie par deux des quatre paires torsadées d’un câble Ethernet Cat 5e standard. La puissance fournie est limitée selon quatre classes, de 4 watts à 15.4 watts maximum par port. Chaque appareil alimentant (PSE) effectue quelques mesures précises sur l’appareil alimenté (PD) pour garantir que celui-ci soit bien conforme à la norme. Si le PD est conforme, le PSE lui envoie l’alimentation 48V. Les principaux enjeux d’un design PoE bien optimisé sont notamment la complexité de la séquence de mise sous tension, typiquement absente des designs d’alimentations conventionnels, et l’optimisation de la conversion de puissance nécessaire.

Séquence de mise sous tension La séquence de mise sous tension doit respecter scrupuleusement un schéma bien spécifique. Le PSE (appareil alimentant) détecte la connexion du PD (appareil alimenté) en mesurant l’impédance du câble (signature). Si l’impédance est entre 23.75 kΩ et 26.25 kΩ, le PSE considère qu’un PD (appareil alimenté) est présent.

La Figure 1 montre les différentes phases de la séquence d’alimentation en détails

Interopérabilité L’interface PoE du PD peut être implantée avec des composants discrets ; cependant une solution intégrée externes comme le LM5073 offre les avantages suivants :
 Facilite le design du PD avec seulement quelques composants
 Réduit le cycle de conception
 Réduit la surface de la carte et optimise son implantation
 Prouve l’Interopérabilité avec les PSE

L’une des limitations de PoE est le courant CC d’alimentation maximum qui ne doit pas dépasser 350 mA CC (la limite transitoire est de 400 mA). En termes d’alimentation électrique, ceci limite la puissance à 12.95 watts maximum (37V x 350 mA). Est également limitée, par voie de conséquence, la puissance de sortie utilisable à 10W typiquement, dans le cas d’un rendement de conversion CC-CC de 80% Etant donné la sensibilité au coût de PoE, la topologie "flyback" pour la conversion CC-CC est la solution la plus courante, comme celle utilisée dans les anciens circuits de National Semiconductor, les LM5070, LM5071, et LM5072 (à contrôleur PWM intégré). Cependant, dans certaines applications, la topologie flyback peut ne pas convenir aux besoins d’optimisation du concepteur.

Défis de l’alimentation :

De nombreux concepteurs utilisant des solutions PoE ne sont pas forcément des experts en matière de conception d’alimentation, et peuvent préférer des solutions d’alimentation existantes. Selon la puissance, les applications, les contraintes et les priorités, la solution d’alimentation optimum peut varier, et une seule puce générique n’apporte en général pas assez de flexibilité, notamment parce qu’il s’agit le plus souvent d’une technologie flyback. Le tableau 1, page suivante, récapitule les principaux avantages de chaque topologie en fonction des besoins de conception.

Le LM5073 offre des fonctionnalités et des avantages décisifs

Le LM5073 est un contrôleur PoE haute tension disposant de toutes les caractéristiques requises pour implémenter un dispositif PoE. Il s’agit notamment des impératifs de séquencement de mise sous tension et de limitation d’insertion, combinés à une souplesse de choix de la topologie CC-CC la mieux adaptée à un design particulier. Il simplifie également la conception de PD non isolé, en permettant l’utilisation de la famille bien connue Simple Switcher® de National, qui n’a pas besoin de transistor de puissance MOSFET externe. Le LM5073 National dispose d’un certain nombre de caractéristiques uniques qui facilitent la conception :
 Offre une interface PD 100% conforme IEEE 802.3af,
 Fournit une impédance de signature fixe, des seuils UVLO programmables par l’utilisateur, une limite de courant d’appel, et un courant de classification,
 Supporte des tensions d’entrée jusqu’à 100V,
 Protection contre les courants d’appel, limitation de courant en cas de défaut, et coupure thermique,
 Seuil et hystérésis UVLO : le concepteur peut programmer le seuil et l’hystérésis UVLO indépendamment, grâce à deux résistances externes,
 Permet la configuration d’alimentation CC-CC isolée ou non-isolée,
 Le transistor MOSFET interne connectable à chaud peut fournir un courant double des normes PoE existantes, et permet ainsi des possibilités PoE+ applications de puissance plus élevée (avec un PSE spécifique) dans le futur,
 Utilisation facile d’une alimentation auxiliaire avant ou arrière, pouvant descendre à 9V continus.

Parmi les autres avantages : Le LM5073 permet de choisir la meilleure topologie appropriée de convertisseur CC-CC pour une application donnée. Par exemple, il permet l’utilisation de régulateurs National Simple Switcher (par exemple le LM5576) pour une application non isolée, réduisant ainsi les coûts  ; il permet le choix d’un contrôleur à verrouillage direct LM5025/26 pour un design haute rendement ; etc. Il dispose d’une fonction de protection contre les surtensions (OVP) du convertisseur CC-CC, de telle sorte que ce circuit 100V nominal peut être utilisé sans risque avec un convertisseur CC-CC spécifié à 65V.

Le contrôle de coupure actif Haut/Bas fournit une interface souple pour différents convertisseurs CC-CC. Design typique de convertisseur CC-CC PoE non-isolé : Une application non isolée typique du LM5073 est une implantation "buck" (Abaisseur) utilisant les circuits bien connus Simple Switcher de National. La Figure 4 montre une solution PoE 15W non isolée typique, utilisant un montage en cascade avec le LM5073 auquel s’ajoute le LM5576, le régulateur nouvelle génération à émulation de courant crête Simple Switcher. Le contrôle en mode courant crête émulé fournit un rapport de conversion de tension exceptionnel, tout en offrant un bon rendement, une fréquence de commutation élevée, et un design de convertisseur buck simple. La difficulté que pose la mesure précise du courant de commutation dans les convertisseurs abaisseur hautefréquence, peut être évitée grâce à une nouvelle méthode qui émule le courant de commutation buck. Le courant d’inducteur peut être reconstruit en mesurant le courant à la fin du cycle de commutation dans la diode roue libre, et en lui ajoutant une rampe proportionnelle à la rampe de courant dans l’inducteur. Pour émuler la partie rampe du courant d’inducteur, un condensateur externe est chargé avec un courant constant, proportionnel à la différence entre la tension d’entrée et la tension de sortie. La rampe de tension résultante aux bornes du condensateur est proportionnelle au courant suivant la rampe dans l’inducteur luimême Générateur de rampe de contrôle en mode courant émulé, utilisé dans les nouveaux régulateurs National Simple Switcher LM2557x et LM557x.

Le mode courant crête émulé offre tous les avantages intrinsèques d’un contrôleur en mode courant classique, sans le problème de susceptibilité au bruit souvent rencontré à cause du courant de recyclage inverse de diode, revenant sur le noeud de commutation, et des délais de propagation de mesure de courant, tout en offrant les très faibles temps passants nécessaires pour réguler des tensions de sortie faibles à partir de rails de tension élevée comme dans les applications PoE.

Design typique de convertisseur CC-CC isolé pour alimentation PoE La topologie la plus populaire et la plus évidente pour les applications PoE est le convertisseur "flyback". La topologie flyback constitue la solution la plus simple et la moins chère pour une application isolée à sorties multiples avec le meilleurs compromis entre coût et rendement, pour des gammes de puissance allant de quelques watts à 20 ou 30 watts. Bien que les convertisseurs flyback de faible puissance soient habituellement actionnés en mode conduction discontinue (DCM), le meilleur rendement est obtenu en mode conduction continue (CCM), où, pour une puissance de sortie donnée, le courant efficace dans le FET côté primaire est plus faible. Les deux arguments généralement utilisés pour justifier le fonctionnement DCM sont : un plus petit transformateur et le zéro du demiplan droit de la fonction de transfert qui pose problème, mais à une fréquence assez élevée pour pouvoir être ignoré. En outre, aux niveaux de puissance et à la gamme de tensions d’entrée PoE, un calcul rapide montre que le zéro du demi-plan droit se situe à une fréquence élevée telle que cela ne pose pas de problème. Le zéro du demiplan droit d’un convertisseur flyback en mode CCM est à : où Vin, D, Iin et L sont respectivement la tension d’entrée, le rapport cyclique du FET côté primaire, le courant d’entrée moyen, et l’inductance magnétisante du transformateur d’alimentation. Une valeur raisonnable pour L en mode CCM pour cette application est 100 μH. Avec des valeurs Vin minimum = 26V, Iin maximum = 360mA, et D correspondant = 0.4, le zéro dur demi-plan droit est toujours au delà de fz = 64kHz dans tous les cas, ce qui a une incidence négligeable sur le design de l’asservissement dans la plupart des applications PoE. Le niveau d’intégration élevé des contrôleurs LM5070, LM5071 et LM5072 améliore la conformité IEEE802.3af avec un nombre minimum de composants externes. La Figure 3 montre un circuit PoE typique à base de LM5072, interface PD PoE 100V et contrôleur PWM intégré à support auxiliaire de National Semiconductor. Le LM5072 offre au PD la flexibilité d’accepter aussi des alimentations auxiliaires, telles que des adaptateurs CA, dans différentes configurations. La structure de contrôleur en mode courant à PWM rapide est préféré dans le cas de topologie flyback en mode continu, avec l’avantage de contrôler et de limiter le courant d’entrée, et de régler la tension de sortie avec le même circuit. La réponse transitoire en courant et en ligne se fait par variation du rapport cyclique du transistor d’alimentation.

(circuit typique d’application PoE à contrôleur LM5072)

Le rapport cyclique est déterminé à la fois par l’erreur de tension de sortie et le signal en dent de scie, générés à partir du courant primaire d’inducteur par la résistance de détection de courant externe. La limitation de courant cycle-à-cycle se fait comparant le signal de détection de courant à une tension de référence interne. Le problème d’instabilité inhérente dû aux harmoniques sur les facteurs d’utilisation de plus de 50% peut être évité grâce à une compensation interne du signal rampe de courant.

Conclusions Le LM5073 offre la flexibilité la plus élevée pour les designs d’applications PoE isolées ou non. Le mode flyback CCM est couramment utilisé pour les applications PoE si un isolement est nécessaire, ce qui offre un bon compromis entre rendement, complexité et coût de conception. La topologie buck est la plus appropriée quand l’isolement n’est pas nécessaire, car elle offre un bon compromis entre coût et performance. Références Power supply design for Power over Ethernet powered devices : en ligne sur le sit e http://www.national.com/onlineseminar/2004/poe/poe.html par Barry Signoretti, et Joe de Nicolas, ingénieurs d’applications et de développement, National Semiconductor. PoE powers Ethernet into new applications, par Martin Schiel, Future Electronics Europe Fiche technique et notes de conception LM5073