Что такое шина питания power rail

Распиновка разъемов блока питания: какая линия за что отвечает

Содержание

Содержание

Подключение проводов блока питания при сборке ПК — одна из самых серьезных задач, с которой сталкиваются начинающие пользователи. Все слышали фразу «с электричеством шутки плохи», и нужно понимать, что в случае неправильного подключения проводов можно запросто повредить дорогие комплектующие. Чтобы этого не случилось, нужно знать распиновку разъемов БП, максимальную нагрузку на каждый разъем и положение ключей, которые не дают подключить провода неправильно. В этой статье вы найдете всю информацию на эту тему.

Стандарты блоков питания для ПК и их разъемов развиваются уже почти 40 лет — со времен выхода первых компьютеров IBM PC. За это время сменилось несколько стандартов AT и ATX. Казалось бы, все возможные разъемы уже придуманы и ничего нового не требуется, но осенью этого года ожидается выход видеокарт Nvidia GeForce RTX 3000-й серии, который принесет с собой новый, 12-контактный разъем питания. Производители уже стали добавлять в комплекты проводов новых БП коннектор 12-Pin Micro-Fit 3.0. Будет неудивительно, если этот разъем питания дополнит новые стандарты ATX.

Перед тем, как перейти к описанию и распиновке всех разъемов в современном БП, хотелось бы напомнить, что основные напряжения, которые нам встретятся, это +3.3 В, +5 В и +12 В. Сейчас основное напряжение, которое требуется и процессору, и видеокарте — это +12 В. В свою очередь, +5 В нужно накопителям, а +3.3 В используется все реже.

И если взглянуть на табличку, которая есть на боку каждого БП, мы увидим выдаваемые им напряжения, токи и мощность по каждому из каналов.

Разъем Molex

Начнем с самого древнего разъема, который почти без изменений дошел до наших времен, появившись у первых «персоналок». Это всем известный 4-контактный разъем, называемый Molex.

Сегодня сфера применения этого разъема сузилась до питания корпусных вентиляторов, передних панелей корпусов ПК, разветвителей и переходников питания видеокарт и накопителей. Например, переходников питания видеокарты «Molex — PCI-E 6 pin». Несмотря на то, что разъем выдает до 11 А на контакт, а значит, может дать видеокарте, в теории, 132 ватта мощности, использовать его стоит крайне осторожно.

Надо учитывать, что толщина проводов может не соответствовать такой мощности, а сами контакты могут быть разболтанными, с неплотной посадкой. В результате это чревато нагревом проводов, контактов и расплавлению изоляции.

Если вам обязательно требуется такой переходник, выбирайте модель с двумя разъемами Molex.

Обязательно проверяйте качество контактов переходника и вставляйте его надежно, до упора. Для защиты от неправильного подключения в разъеме предусмотрены два скоса.

Внимание! Несмотря на то, что скосы не дают воткнуть разъем другой стороной, при определенном усилии и разболтанных гнездах есть вероятность воткнуть разъем, развернутый на 180 градусов, что приведет к выходу из строя оборудования.

24-контактный разъем питания материнской платы

Этот разъем появился в спецификациях ATX12V 2.0 в 2004 году и заменил устаревший 20-контактный разъем. Он может обеспечить довольно серьезные мощности для питания процессора, видеокарты и материнской платы: по линии +3.3 В — 145.2 Вт, по линии +5 В — 275 Вт и 264 Вт по линии +12 В (при использовании контактов Molex Plus HCS).

Примечание. Контакты Molex сертифицированы на ток 6 А. Molex HCS — до 9 А. А Molex Plus HCS — до 11 А.

Разъемы питания процессора

Энергопотребление процессоров неуклонно росло последние 20 лет, что потребовало дополнительных разъемов питания для них. И в спецификациях ATX12V был введен дополнительный 4-контактный разъем питания процессора +12 В.

8-контактный разъем питания процессора

Несмотря на то, что 4-контактный разъем питания процессора рассчитан на максимальную мощность до 288 Вт (при использовании контактов Plus HCS), в спецификации EPS12V версии 1.6, появившейся в 2000 году, был представлен 8-контактный разъем питания процессора. Первоначально этот разъем использовался в серверах с серьезными нагрузками на систему питания, но впоследствии перекочевал и в обычные ПК.

Сегодня даже на бюджетных материнских платах мы встречаем именно этот разъем, который теоретически может подать на питание процессора мощность до 576 Вт.

4-контактный и 8-контактный разъемы совместимы между собой. Если на вашем БП есть только 4-контактный кабель питания, он подойдет в 8-контактный разъем на материнской плате. А 8-контактный кабель, соответственно, подойдет в 4-контактный разъем.

Значения передаваемой мощности выглядят просто фантастически, но вы должны понимать, что это теоретическая мощность. На практике производители топовых материнских плат, ориентированных на разгон, ставят два 8-контактных разъема питания процессора.
Например, на MSI MEG Z490 ACE. Увеличение контактов разъема и сечения проводов приводит к снижению их нагрева и, как следствие, к безопасной работе.

Внимание! При подключении 8-контактных разъемов питания процессора и видеокарты нужно учитывать, что несмотря на то, что они не совпадают по скосам контактов, их вилки очень похожи. При определенном усилии можно воткнуть вилку питания процессора в разъем на видеокарте и наоборот. Это приведет к замыканию и выходу оборудования из строя.

Разъем питания 3.5″ дисководов

Еще один разъем, уже практически не встречающийся на новых БП. Ранее использовался для питания дисководов 3.5″ и некоторых карт расширения.

Разъем питания SATA

Стандартный разъем для питания HDD, DVD и 2.5″ SSD-приводов. Надежный и удобный разъем, воткнуть который другой стороной не получится из-за расположения специальных выступов. Ток, потребляемый HDD и SSD, довольно небольшой и беспокоиться о нагреве таких разъемов не стоит.

Разъемы дополнительного питания видеокарт

В начале нулевых годов резко выросло энергопотребление видеокарт, что потребовало для них специальных разъемов питания, принятых в спецификациях ATX12V 2.x.

Спецификация PCI Express x16 Graphics 150W-ATX Specification 1.0 была принята рабочей группой PCI-SIG в 2004 году. Она представила 6-контактный разъем, который может давать видеокарте 75 Вт мощности. И еще 75 Вт берутся со слота PCI-E x16. Получившиеся в сумме 150 ватт достаточны для питания видеокарт среднего уровня, например, GeForce GTX 1650 SUPER.

Но этих возможностей питания быстро стало недостаточно и вскоре была принята спецификация PCI Express 2.0, которая дала уже 8-контактный разъем питания для видеокарт. 8-контактный разъем питания позволял передать 150 Вт мощности и вместе с 75 Вт, идущими со слота PCI-E x16, получалось 225 Вт, которых стало достаточно уже для производительных видеокарт.

Производители видеокарт обычно стараются разгрузить питание по слоту PCI-E x16 и обеспечить запас питания для разгона, поэтому видеокарты с потреблением 120 ватт и выше, например, GeForce GTX 1660 SUPER, все чаще оснащаются восьмипиновым разъемом питания.

Конструкция разъемов позволяет подключение 6-контактного кабеля питания в 8-контактный разъем. Но, скорее всего, потребуется специальный переходник, ведь в этом случае видеокарта по сигнальным контактам распознает, какой кабель подключен в разъем питания.

8-контактный разъем обычно делается разборным, что позволяет подключить его в 6-контактную колодку.

Вставить неправильно разъемы этого типа не получится: скосы на пинах расположены в строго определенном порядке. Но нужно подключать питание до упора — до защелкивания предохранительного язычка.

Выводы

Как вы могли заметить, все разъемы на современных БП разработаны так, чтобы исключить неправильное подключение. Также они обеспечивают избыточную надежность по нагрузке питания, что достигается увеличением числа контактов.

Но при сборке ПК не помешает помнить распиновки всех разъемов и максимальную силу тока, которую может выдержать разъем. Если пренебречь этими знаниями, можно рано или поздно повредить комплектующие. С подобным в период «крипто-лихорадки» 2017-2018 года столкнулись майнеры, у которых массово горели дешевые переходники питания видеокарт «Molex — PCI-E 6 pin».

Источник

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Что нужно знать о входах rail-to-rail

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию главы №1 и 2 из него.

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Что нужно знать о входах rail-to-rail

Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).

N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.

Рис. 4. Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Входные P-канальные и N-канальные каскады отличаются значениями напряжения смещения (offset voltages). Если входной сигнал проходит через границу переключения каскадов, то это приводит к скачкообразному изменению напряжения смещения. Некоторые ОУ проходят заводскую лазерную подгонку или электронную подстройку для уменьшения напряжения смещения. Такая подгонка позволяет уменьшить скачок при переключении каскадов, однако не убирает его полностью. Схема, которая отвечает за переключение, в качестве базовой точки, использует положительное напряжение питания. При использовании питания 3,3 В это приводит к неприятному явлению – появлению средней точки (midsupply).

В большинстве приложений такое скачкообразное изменение смещения проходит незамеченным, однако для прецизионных схем это может стать проблемой. Также могут возникнуть искажения при работе с переменным сигналом, если такой сигнал пересекает точку переключения каскадов.

На рисунке 5 показан второй вариант реализации rail-to-rail-входов. Встроенный повышающий регулятор формирует для P-канального каскада напряжение, которое оказывается примерно на 2 В выше, чем напряжение питания. Использование повышенного напряжения позволяет с помощью единственного каскада работать с входным диапазоном rail-to-rail без каких-либо скачков.

Рис. 5. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Слова «повышающий преобразователь» для некоторых разработчиков звучат пугающе: «Разве эти преобразователи не шумят?» Однако наиболее современные модели производства TI стали заметно тише. Повышающий регулятор требует очень мало тока, так как используется только для питания входного каскада. Здесь не требуется дополнительных внешних выводов и конденсаторов – все интегрировано в ОУ. Уровень шума преобразователя оказывается меньше собственного широкополосного шума ОУ, и его редко можно увидеть во временной области. Однако устройства, анализирующие шумовой спектр этих ОУ, могут обнаружить в нем некоторые артефакты.

Не во всех приложениях требуется вход rail-to-rail. Инвертирующим усилителям и усилителям с неединичным коэффициентом усиления такой вход не нужен. И, тем не менее, его используют. Задумайтесь, действительно ли вам необходим rail-to-rail-усилитель? Многие инженеры предпочитают использовать их, чтобы не волноваться о выходе сигнала за рамки допустимого входного диапазона напряжений. Они применяют одни и те же ОУ во многих электронных узлах своих систем. Одни узлы требуют входа rail-to-rail, а другие – нет. Зная о существующих типах rail-to-rail и их особенностях, следует подходить к их выбору более осознанно. Если же возникают сомнения – всегда можно обратиться к инженерам на форуме TI E2E™ / Community Precision Amplifers.

Вот несколько примеров ОУ:

Источник

Коктейль из электропитания и данных: Power-over-Ethernet-решения от Texas Instruments

Основная идея технологии Power-over-Ethernet заключается в передаче постоянного тока для питания конечного устройства по витой паре проводников в кабеле, использующемся для передачи данных. Причем, питающий ток может передаваться как по свободной паре проводников, так и по паре, использующейся для передачи данных [1]. Во втором случае источник питания активного устройства (Power Source Equipment — PSE), формирующий стандартное значение напряжения 48 В, подключается к средним точкам вторичных обмоток двух развязывающих трансформаторов хост-устройства. На приемной стороне, в запитываемом устройстве (Powered Device — PD), питающий ток снимается также со средних точек развязывающих трансформаторов. Такой вариант реализации позволяет не только отказаться от использования внешнего AC/DC-адаптера для конечного устройства, но и более эффективно использовать линии кабеля связи. Следует отметить, что стандарт PoE предполагает полную совместимость с уже существующими устройствами, не поддерживающими технологию PoE.

Варианты реализации сети c PoE-устройствами

Существует три возможных варианта реализации сети обмена данными с участием устройств, поддерживающих технологию Power-over-Ethernet. Структурная схема такой сети представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Три возможных варианта реализации PoE-сети

Рассмотрим основные особенности реализации каждого из вариантов.

При подключении любого устройства к PSE подача питающего тока производится не сразу. Сначала PSE инициирует процедуру проверки конечного устройства, состоящую из нескольких этапов [2]. Подача питающего тока в сеть происходит, если подключенное устройство относится к классу PD-устройств, то есть имеет необходимые функциональные узлы для принятия и преобразования питающей энергии. Эта проверка реализуется посредством измерения входных сопротивления и емкости конечного устройства. В случае подключения устройства без поддержки PoE питающий ток не будет подан хостом, происходит только обмен данными. В этом случае предполагается, что конечное устройство имеет собственный источник питания.

Данный вариант является самым оптимальным, так как не содержит дополнительных промежуточных устройств. В этом случае после того, как PSE определит, что к нему подключено PD-устройство, происходит классификация устройства. Во время классификации PSE определяет класс мощности PD. После классификации PSE производит подачу питающей энергии в PD и на протяжении всего срока работы контролирует ее параметры. В случае отключения PD-устройства или потребления им большей мощности, чем было установлено на этапе классификации, PSE прекращает подачу питающего тока. Данный вариант реализации сети содержит минимальное количество узлов: хост и конечное устройство, питающееся от хоста через Ethernet-кабель.

Устройство типа PD может быть использовано не только с PSE, но и с хостом без поддержки PoE. Для этого требуется дополнительное промежуточное устройство с собственным источником питания, которое позволит обеспечить питанием PD-устройство по линиям Ethernet. В этом случае схема питания в конечном устройстве должна обеспечить соответствующую защиту от возможных перегрузок и контроль параметров поступающей энергии.

Компоненты для реализации устройств с поддержкой PoE, предлагаемые компанией Texas Instruments, по функциональному назначению делятся на две основные группы: для реализации PSE и для реализации PD. Внутри каждой функциональной группы происходит деление по уровню передаваемой и принимаемой из сети Ethernet мощности на два стандарта: StandartPower — до 15,4 Вт и Hi-Power — до 25,5 Вт.

Реализация системы питания PSE

PSE-контроллеры от Texas Instruments могут работать в одном из нескольких режимов. Это справедливо как для компонентов класса StandartPower, так и для Hi-Power.

В режиме AutoMode контроллер обнаруживает нагрузку и определяет ее тип, а затем производит подачу в порт питающего тока автономно, без использования внешнего микроконтроллера.

В режиме Semi-AutoMode работа производится аналогично автоматическому режиму. Однако в этом режиме статусные регистры и регистры АЦП доступны для считывания пользователем с помощью последовательного интерфейса I 2 C. Все регистры управления доступны пользователю для ограниченного управления портами. Наличие полуавтоматического режима позволяет пользователю частично участвовать в процессе управления питанием.

Режим PowerManagmentMode предоставляет полную свободу действий в процессе управления питанием. В этом режиме функционирование программируется и управляется через регистры чтениязаписи. Для реализации режима полного управления питанием необходим дополнительный внешний микроконтроллер. Для реализации данного режима Texas Instruments предлагает программное обеспечение для микроконтроллеров семейства MSP430.

Основные параметры PSE-контроллеров для наглядности и сравнения сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры PSE-контроллеров Texas Instruments

Параметр	Наименование
	TPS2384	TPS23841	TPS23851
Поддерживаемый стандарт	IEEE 802.3af	IEEE 802.3af	IEEE 802.3at
Особенности	Встроенный FET	Встроенный FET, сообщение о перегрузке по току и перегреве	Встроенный FET, сообщение о перегрузке по току и перегреве
Количество портов	4	4	4
Настраиваемый порог тока (мin), мA	350	570	52
Vin (мин),В	44	34	-70
Vin (макс),В	57	57	0,3
Сопротивление порта, Ом	1,3	1,3	—
Корпус	64HTQFP	64HTQFP	36SSOP
Температурный диапазон, °С	-40…125	-40…125	-20…125

Standart Power

Для реализации PSE-устройств, совместимых со стандартом 802.3af, предназначены микросхемы TPS2384 и TPS23841.

Рис. 2. Типовая реализация сети PoE на базе TPS2384 совместно с TPS2375

Интегрированный выходной каскад микросхемы TPS2384 одновременно обеспечивает передачу энергии в порт и контроль выходных напряжения и тока. Встроенная схема содержит FET-транзистор и измерительный шунт, что позволяет избежать использования дополнительных внешних элементов. В TPS3284 поддерживается AC-метод определения отключения нагрузки. Выходной каскад выдерживает переходные процессы с пиковым напряжением до 100 В. Четыре встроенных 15-разрядных АЦП используются для измерения входного сопротивления питаемого устройства, напряжения, тока и температуры кристалла, позволяя реализовать простое и надежное PSE-решение. TPS2384 поставляется со специальным программным обеспечением, которое позволяет реализовать ядро PoE-системы.

TPS2384 содержит три встроенных источника питания (10; 6,3 и 3,3 В). Данные источники используются для питания цифровой и аналоговой части микросхемы. Источник напряжением 3,3 В может быть использован для питания внешних нагрузок до 2 мА. При подаче питания на TPS2384 внутренняя схема сброса Power-on-Reset сбрасывает значение всех регистров и устанавливает значения всех портов в отключенное состояние для гарантии включения микросхемы в безопасном режиме.

TPS2384 и TPS23841 могут работать в одном из трех возможных режимов: автоматическом (AutoMode), полуавтоматическом (Semi-AutoMode) и режиме полного управления питанием (PowerManagmentMode).

Если значение входного питающего напряжения выходят за пределы диапазона 44…57 В, поддерживаемого микросхемой TPS2384, тогда для реализации PSE-устройства предлагается использовать микросхему TPS23841. Типовая реализация сети PoE на базе TPS23841 представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая реализация сети PoE на базе TPS23841 совместно с TPS2376

Данное решение имеет аналогичный TPS2384 набор функциональных возможностей с расширенным диапазоном входных напряжений и большей мощностью. Основные отличия параметров этих микросхем сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Основные отличия параметров TPS2384 и TPS23841

Параметр	Наименование
	TPS2384	TPS23841
Входное напряжение, В	48	48
Порог перегрузки по току, мА	350…400	570…665
Максимальный выходной ток, мА	400…450	600…700

Hi-Power

Микросхема TPS23851 предназначена для обеспечения питанием четырех портов по стандарту 802.3at[4]. Типовая схема реализации питания одного порта на основе TPS23851 представлена на рисунке 4. Данный контроллер питания определяет наличие подключенного поддерживаемого PD-устройства, определяет требуемую PD-устройством мощность в соответствии с классификацией и обеспечивает контроль питания PD-устройства. TPS23851 работает с внешним N-канальным MOSFET-ключом. Функционал микросхемы не ограничивается стандартом 802.3at-2009 и может работать с оборудованием другого стандарта. Уровень защиты по току может быть установлен в соответствии с требованиями стандарта 802.3-2005 (802.3af) либо запрограммирован на значение до 720 мA для использования с классификационным стеком LLDP в рамках стандарта 802.3 at.

Рис. 4. Типовая схема реализации питания одного порта на основе TPS23851

TPS23851 поддерживает AC- и DC-методы определения отключения нагрузки. AC-метод реализован на основе встроенного прецизионного осциллятора с частотой 110 Гц. Данный контроллер также содержит четыре АЦП с разрешением 14 бит для постоянного мониторинга напряжения и тока каждого порта. Доступ к данным измерений для реализации режима расширенного управления питанием может быть осуществлен по шине I 2 C.

Реализация системы питания PD

Texas Instruments предлагает два типа микросхем для реализации питания на стороне конечного устройства. Первый тип микросхем представляет собой отдельный PD-контроллер. PD-контроллер выполняет все необходимые коммуникации с PSE-устройством в соответствии со стандартом, а также обеспечивает функцию горячего подключения, гарантируя безопасную передачу энергии в устройство и защищая его от бросков напряжения и тока.

Второй тип микросхем — PD-контроллер (PDC) со встроенным DC/DC-преобразователем для получения регулированных напряжения и тока для непосредственного питания узлов системы.

PD-контроллеры TPS2375, TPS2376-H, LM5073

Микросхема TPS2375 является простым 8-выводным решением, содержащим в себе весь необходимый функционал для реализации PD-устройств, соответствующих стандарту IEEE 802.3af[5]. Типовая схема применения TPS2375 приведена на рисунке 5. Это второе поколение PD-контроллеров содержит вывод PowerGood (открытый исток полевого транзистора) и поддерживает защиту от переходных процессов напряжением до 100 В. В дополнение к стандартным функциям обнаружения и классификации нагрузки, блокировки пониженного напряжения, данный контроллер содержит функцию настраиваемого порога ограничения пускового тока.

Рис. 5. Типовая схема применения TPS2375

TPS2376-H используется для реализации PD-устройств, соответствующих стандарту IEEE 802.3af [6]. Данная микросхема обладает самым высоким токовым порогом и максимальной теплорассеивающей способностью среди всех представителей семейства TPS237x. Типовая схема применения TPS2376-H приведена на рисунке 6. На базе данной микросхемы может быть реализовано нестандартное PoE-совместимое устройство, мощность потребления которого может быть больше указанной в стандарте. PD-устройство мощностью 26Вт может быть реализовано при условии работы от PSE-устройства напряжением 52В с использованием не более 100м кабеля витой пары категории CAT-5. ВTPS2376-H встроена защита от перенапряжений до 100В, настраиваемый уровень токоограничения, защита от ошибок с автоматическим переподключением и сигнал PowerGood (открытый исток полевого транзистора).

Рис. 6. Типовая схема применения TPS2376-H

Минимальное значение порога ограничения тока TPS2376-H составляет 625мA, что находится выше минимального выходного тока TPS23841 600мА. Это позволяет PD-устройству использовать максимальное значение доступной мощности.

LM5073 представляет собой высокопроизводительное решение, соответствующее стандарту IEEE 802.3af [7]. Отличительной особенностью является возможность дополнительного подключения в качестве источника питания нерегулируемых источников напряжения, таких как AC-адаптеры и солнечные батареи различных конфигураций. Упрощенная схема применения LM5073 приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Упрощенная схема применения LM5073

Основные параметры PD-контроллеров сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Параметры PD-контроллеров Texas Instruments

Параметр	Наименование
	TPS2375	TPS2376-H	LM5073
Поддерживаемый PoE-стандарт	802.3at type1	802.3at type1 (большой ток)	802.3af
Мощность PD-устройства, Вт	13	25	25
Порог пускового тока (typ), мA	Программируемый	Программируемый	150
Уровень ограничения рабочего тока (min), мA	405	625	800
Напряжение включения, В	802.3af	Программируемый	IEEE
Сопротивление порта, Ом	0,58	0,58	0,7
Реакция на ошибку	Защелкивание	Автоповтор	Термоотключение
Поддержка внешнего источника питания	Внешняя схема	Внешняя схема	Встроенная
Auxiliary Power Rails Supported	N/A	N/A	9-100 V
Pin/Package	8SOIC,8TSSOP	8SO PowerPAD	14HTSSOP

Standart Power PDC + DC/DC: TPS23750, TPS23753A, TPS23757, LM5070/1, LM5072

TPS23750 включает в себя функционал TPS2375 с дополнением ШИМ-контроллера для реализации DC/DC-преобразователя. Данная микросхема позволяет разработчику реализовать комплексный источник питания для PD-устройства с использованием минимального количества внешних компонентов [8]. Типовая схема применения TPS23750 приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Типовая схема применения TPS23750

Поддерживаются все операции, требующиеся по стандарту 802.3af: определение, классификация, блокировка пониженного напряжения и управляемое токоограничение. Блок DC/DC-контроллера поддерживает такие топологии понижающих преобразователей, как обратноходовый, прямоходовый и асинхронный с ключом нижнего плеча. Использование внешнего MOSFET-транзистора и токоизмерительного резистора дают разработчику свободу действий в выборе топологии печатной платы, уровня мощности источника и порога токоограничения. DC/DC-контроллер поддерживает программируемую функцию плавного запуска, программируемую частоту переключения, установку максимальной скважности управляющего сигнала 50%, усилитель ошибки с выходом по напряжению.

TPS23753A представляет комбинированное решение для цепи питания PD-устройства, которое реализует PoE-интерфейс и содержит встроенный DC/DC-контроллер с токовым режимом работы. Базовая схема применения TPS23753A приведена на рисунке 9. Микросхема TPS23753A оптимизирована для применения в изолированных приложениях и поддерживает функцию переключения между несколькими входными источниками напряжения [9]. Используемый внешний источник может быть выбран по максимальному значению напряжения, также предпочтение может быть отдано конкретному источнику питания. Уровень потребления мощности PD-устройства, определяющийся при классификации устройства, задается одним внешним резистором.

Рис. 9. Базовая схема применения TPS23753A

В DC/DC-контроллере реализован механизм начальной загрузки с коммутацией внутреннего источника тока. Это предоставляет преимущества циклической защиты от перегрузки по току без потерь мощности на подтягивающем резисторе. Программируемый тактовый генератор может быть синхронизирован более высокой частотой внешнего тактирующего источника.

TPS23757— комбинированное решение для реализации интерфейса PoE для PD-устройства со встроенным DC/DC-контроллером. Оптимизировано для реализации изолированных преобразователей мощностью до 13Вт [10]. Схема высокоэффективного преобразователя на базе TPS23757 приведена на рисунке 10. Данная микросхема поддерживает несколько источников входного напряжения с функцией переключения между ними. В качестве основного входного источника может использоваться источник с наибольшим напряжением, либо может быть отдано предпочтение конкретному источнику в случае одновременного присутствия нескольких. Имеется специальный флаговый сигнал, свидетельствующий о наличии напряжения от дополнительного источника питания.

Рис. 10. Схема высокоэффективного преобразователя на базе TPS23757

DC/DС-контроллер содержит два комплиментарных драйвера затвора с программируемым временем «мертвой зоны». Это упрощает разработку высокоэффективных обратноходовых и прямоходовых преобразователей на основе топологии active clamp. Один из драйверов может быть отключен, если предполагается использование топологии с одним MOSFET. Контроллер также содержит встроенную схему плавного пуска, источник тока запуска, компенсацию токового режима и максимальный коэффициент заполнения, равный 78%. Настраиваемый и синхронизируемый тактовый генератор позволяет оптимизировать дизайн и использовать контроллер для модернизации существующих источников питания.

LM5070— интегрированное решение, объединяющее в себе PoE-интерфейс и ШИМ-контроллер. LM5070 отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3af. Упрощенная схема применения приведена на рисунке 11. Данная микросхема содержит встроенный ключ коммутации линии питания на 80В и 400мА [11]. Доступны версии микросхемы с суффиксами -80 и —50. Версия «80» позволяет получить максимальный коэффициент заполнения, равный 80% с компенсацией наклона пилы, а версия «50»- коэффициент заполнения 50% без компенсации.

Рис. 11. Применение LM5070

LM5071 была разработана для реализации PD-устройств, которые должны получать питание от внешних источников, таких как AC-адаптеры [12]. Интерфейс внешнего питания запускает работу ШИМ-контроллера при отсутствии доступного питания в сети PoE и наличии питания от сетевого адаптера. Блок-схема LM5071 приведена на рисунке 12.

Рис. 12. Блок-схема LM5071

Контроллер LM5072 включает в себя все функции, необходимые для реализации интерфейса PD-устройства и DC/DC-преобразователя с минимальным количеством внешних компонентов [13]. Схема применения LM5072 приведена на рисунке 13. Данное решение поддерживает подключение внешнего источника питания. Низкое сопротивление MOSFET горячего подключения и программируемый порог ограничения тока позволяют получить вдвое большую мощность, чем требуется по стандарту 802.3af, что значительно расширяет круг возможных применений данной микросхемы.

Рис. 13. Упрощенная схема применения LM5072

Hi-Power PDC + DC/DC: TPS23754, TPS23756

TPS23754 и TPS23756 представляют комбинированное решение для реализации PD-устройств со встроенным DC/DC-контроллером [14]. Функционально эти устройства аналогичны TPS23757, но разработаны для поддержки нового стандарта PoE. Интерфейс PoE поддерживает расширенную аппаратную классификацию, необходимую для удовлетворения стандарта IEEE 802.3at. Класс потребления устройства устанавливается внешним резистором. Схема преобразователя на базе TPS23754 приведена на рисунке 14.

Рис. 14. Преобразователь на базе TPS23754

Каждая из микросхем поддерживает несколько источников входного напряжения, основным из которых можно установить либо больший по значению напряжения, либо PoE, либо внешний источник. Данная особенность позволяет разработчику установить, какой из источников будет обеспечивать питанием нагрузку при любых обстоятельствах. DC/DC-контроллер содержит два комплементарных драйвера затвора с возможностью программирования времени «мертвой зоны» и отключения одного из драйверов.

TPS23754 и TPS23756 имеют разные напряжения запуска работы DC/DC-контроллера. У TPS23754 это напряжение составляет 15 В, а у TPS23754 — 9 В.

Основные параметры PD-контроллеров с интегрированным DC/DC-преобразователем представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры PD-контроллеров Texas Instruments с интегрированным DC/DС-преобразователем

Параметр	Наименование
	TPS23750	TPS23753A	TPS23757	LM5070	LM5071	LM5072	TPS23754	TPS23756
PoE-стандарт	802.3at type1	802.3at type1	802.3at type1	802.3af	802.3af	802.3af	802.3at type1,2	802.3at type1,2
Мощность, Вт	13	13	13	13	13	25	25	25
Порог пускового тока(typ), мА	140	140	140	Програм-мируемый	100	Програм-мируемый	140	140
Уровень ограничения рабочего тока (min), мА	405	405	400	390	390	800	850	850
Напряжение включения, В	30,5	35	35	Програм-мируемый	Програм-мируемый	36	35	35
Сопротивление порта, Ом	0,6	0,7	0,43	1	1	0,7	0,43	0,43
Реакция на ошибку	Автоповтор	Автоповтор	Автоповтор	Термо-отключение	Термо-отключение	Термо-отключение	Автоповтор	Автоповтор
Усилитель ошибки	Есть	Нет	Нет	Есть	Есть	Есть	Нет	Нет
Поддержка внешнего источника питания	Внешняя схема	Програм-мируемая	Програм-мируемая	Нет	Внешняя схема	Есть	Програм-мируемая	Програм-мируемая
Напряжение внешнего источника питания, В	24…57	12…57	12…57	N/A	10…57	9…100	24…57	12…57
Два драйвера затвора	Нет	Нет	Есть	Нет	Нет	Нет	Есть	Есть
Коэффициент заполнения, %	50	78	78	80	80	80	78	78
Тактовый генератор	Програм-мируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый	Програм-мируемый, синхро-низируемый
Корпус	20HTSSOP	14TSSOP	20TSSOP	16TSSOP, 16WSON	16TSSOP	16HTSSOP	20HTSSOP	20HTSSOP

Заключение

Использование технологии Power-over-Ethernet при разработке новых устройств для разветвленных сетей передачи данных в различных секторах промышленности позволяет получить ряд преимуществ:

Себестоимость конечных изделий, получающих питание по технологии PoE, может оказаться существенно ниже, чем разработка аналогичных решений с классическим питанием от сети. И дело здесь не только в отсутствии дополнительного внешнего AC/DC-адаптера, но и в сокращении расходов на установку готового продукта у потребителя. Использование технологии PoE позволяет отказаться от реализации дополнительного питающего канала, стоимость которого в некоторых особенно крупных сетях может оказаться значительной. В этом случае необходим всего один Ethernet-кабель, позволяющий реализовать информационный обмен и питание устройства, не имеющего доступа к сети питания. Устройства, питаемые посредством PoE, могут быть установлены где угодно. Их расположение не обуславливается доступом к сети питания. Отвязка от сети общего питания повышает надежность таких устройств. Работа изделия не зависит от помех и бросков напряжения в электрической сети общего пользования, и будет продолжаться даже в случае ее отключения. Отсутствие подключения к питающей сети общего пользования обеспечивает безопасность эксплуатации изделий с PoE, которая обуславливается значением питающего напряжения — 48 В постоянного тока.

Texas Instruments предлагает решения для реализации PoE-устройств любого типа. На базе микросхем TPS2384, TPS23841 и TPS23851 можно реализовать как источник питания для хост-устройства, так и промежуточные инжекторы питающей энергии для использования уже существующих хостов без поддержки PoE-технологии с PD-устройствами. Для реализации источников питания PD-устройств предлагается целый ряд микросхем как со встроенными DC/DC-контроллерами, так и без них.

Литература

1. Андрей Никитин «Компоненты Power-Over-Ethernet компании Texas Instruments в системах безопасности», Новости электроники 2010 №2

2. IEEE Std 802.3TM-2008 (Revision of IEEE Std 802.3-2005)//документ IEEE 802.3-2008_section3.pdf

Источник