Ethernet-Netzteil statt Steckernetzteil

Bisher wurden gängige Telefonapparate ferngespeist über die Nebenstellenanlage. Damit dies auch bei Voice-over-IPTelefonen möglich ist, entstand der Power-over-Ethernet- Standard. Die Stromversorgungsschaltung dieser per Ethernet gespeisten Geräte muss auch bei kleinen Leistungen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten, denn das Ethernet-Interface im Telefon ist pausenlos aktiv.

Bisher wurden gängige Telefonapparate ferngespeist über die Nebenstellenanlage. Damit dies auch bei Voice-over-IPTelefonen möglich ist, entstand der Power-over-Ethernet- Standard. Die Stromversorgungsschaltung dieser per Ethernet gespeisten Geräte muss auch bei kleinen Leistungen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten, denn das Ethernet-Interface im Telefon ist pausenlos aktiv.

INHALT:
Sperrwandler sind für PoE bestens geeignet
Das Interface nach IEEE 802.3af
Versorgungsschaltung für den DC/DC-Wandler
Berechnung des Übertragers
PWM-Controller passt seine Betriebsart der Leistung an
Kompensation in der Rückkopplungsschleife
Leistungs-MOSFET und Schottky-Diode für niedrige Verluste
Gesamtverluste abschätzen und am Prototyp überprüfen
Literatur
Autor

Die im Juni 2003 ratifizierte IEEE-Norm 802.3af legt die Spezifikationen und Protokolle zur Energieversorgung von Geräten (< 15,4 W) mit niedriger Gleichspannung (48 V) über standardkonforme Ethernet-Kabel fest.

Es wird erwartet, dass „Power over Ethernet“ (PoE) im Laufe der kommenden Jahre zu einem gängigen Ausstattungsmerkmal so genannter „High End“-Switches und -Router wird.

Mit PoE erübrigen sich die Installation von Netzsteckdosen (230 V) in exponierten Lagen und die Verwendung von Kleinleistungs-Netzteilen.

In PoE-Applikationen unterscheidet man zwischen dem als Stromversorgung dienenden „Power Source Equipment“ (PSE) und dem Verbraucher („Powered Device“, PD), der über das Netzwerkkabel mit Strom versorgt wird.

Bild 1 zeigt an einem Beispiel, wie herkömmliche Ethernet-Switches PoE-kompatibel gemacht werden. Hierzu wird ein „Midspan“-PoE-Hub installiert, der die Versorgungsspannung in die Twisted-Pair-Netzwerkkabel einspeist.

Parameter

Min.

Max.

Eingangsspannung

36V

57V

Ausgangsspannung

4,95V

5,05V

Ausgangsstrom

0

2,2A

Welligkeit der Ausgangsspannung

-0,05V

+0,05V

Isolierspannung

1500Veff

Tabelle 1. Die wichtigsten Eckdaten für ein „Netzteil“, das, mit 48 V(DC) per Ethernet- Kabel gespeist, ein Power-over-Ethernet- Gerät (Powered Device, PD) mit Energie versorgen muss.

Schottky-Gleichrichter eignen sich wegen ihrer niedrigen Schalt- und Leitungsverluste sehr gut für Sperrwandler. Für diese Schaltung fiel die Wahl auf die Diode DE10DP3 von Shindengen, die bei 2,2 A eine Durchlassspannung von unter 0,3 V und einen geringen Temperaturanstieg aufweist. Dank des DPAK-Gehäuses ist die Diode zudem einfach zu kühlen.

Ein Vorteil des nicht-lückenden Betriebs ist, dass die Anforderungen an den Ersatzserienwiderstand (ESR) des Ausgangskondensators geringer sind als bei lückendem Betrieb, obwohl wegen der höheren Hauptinduktivität Abstriche an die Ansprechgeschwindigkeit bei Laständerungen gemacht werden müssen. Den optimalen Kompromiss ergibt die Kombination eines Elkos – hohe Kapazität bei günstigem Preis – mit Keramik-Kondensatoren – niedriger ESR bei relativ günstigem Preis. Auf diese Weise übernehmen die Keramik-Kondensatoren mit ihrem niedrigen ESR den Wechselstromanteil (Stromwelligkeit) und verhindern so eine zusätzliche Erwärmung des Elkos, der dadurch an Zuverlässigkeit gewinnt. Der Elko mit seinem höheren Kapazitätswert trägt zur Stabilität der Regelschleife bei und speichert eine ausreichend große Energiemenge, um schnell größere Lastströme liefern zu können. Diese Kondensatorkombination ist kostengünstiger als z.B. Tantal- Kondensatoren, spezielle Polymer- Versionen oder zweistufige Filter, wie sie in Anwendungen dieser Art üblich sind.