有源橋整流器可減少PoE安保攝像機內部的熱耗散

引言

作為“復雜電纜布線”這個老問題的一種解決方案，以太網供電 (PoE) 受到了視頻監控行業的廣泛歡迎。例如：基本的傳統固定視圖安保攝像機就需要兩根電纜：一根用于供電 (從一個 24V AC 或 12V DC 電源提供 10W 至 15W 功率)，而一根單獨的同軸電纜則用于傳輸視頻信號。借助 PoE 技術，采用單根以太網電纜即可同時傳輸視頻數據和功率。一切都變得簡單了。對嗎?

不但如此。為了滿足與現有系統的兼容性，攝像機制造商必須生產既支持 PoE 同時又可與老式電源相兼容的攝像機。此類攝像機必須接受來自 RJ-45 插座的 PoE 37V 至 57V DC，或者由一個輔助電源連接器提供的 24V AC、+12V DC 或 –12V DC。

老方法會損失功率

圖 1 示出了許多 PoE 攝像機制造商為解決該問題所采用的電源架構。位于輔助 (老式) 輸入之后的一個全橋式二極管整流器從 24V AC、+12V DC 或 –12V DC 產生正的 DC 電源。對產生的 DC 電源和 PoE 輸入進行二極管“或”處理，“勝出”的電源饋電至一個寬輸入電壓隔離式開關電源，這接著為攝像機電子線路供電。

這種電源架構帶來了幾個難題。當攝像機由輔助輸入供電時，3 個二極管 (在圖 1 中用圓圈標出) 位于電源通路中。該設計除了效率低且可能存在熱問題 (因二極管耗散功率所致) 之外，3 個二極管還會在開關電源的輸入端上產生顯著的電壓降。對于一個 10W 至 15W 攝像機來說，這些難題可以輕松克服；但是，最新的安保攝像機已使該功耗倍增。如針對室外操作的云臺變焦 (PTZ) 和攝像機鏡頭加熱器等功能使這種電源架構無法適應這些新型攝像機。

圖 1：輔助輸入和 PoE 電源架構

為了說明該架構的缺點，我們以一部 26W 攝像機為例。當采用一個 12V DC 輔助輸入 (假設實際上是 9V DC，因為使用了未調整的插墻式 / AC 適配器) 和 3 個 0.5V 壓降肖特基二極管時，開關電源的輸入電壓為 7.5V (9V – 3 ? 0.5V)。這部攝像機的輸入電流為大約 3.5A (26W/7.5V)。電源通路中 3 個肖特基二極管的最終功率耗散為 5.2W (3.5A ? 3 ? 0.5V)。該功率耗散將導致攝像機的內部溫度升高，想緩解這種狀況，不僅棘手和費時，成本也很高昂。

采用理想二極管來改善性能

圖 2 示出了一種克服此缺點的方法。這里，采用了理想二極管替代全橋式整流器的 2 個二極管 (在圖 2 中用黑色圓圈標出)。理想二極管就是簡單地通過控制而起普通二極管作用的 MOSFET。理想二極管的優勢是使設計師可以采用具有低通道電阻 (RDS(ON)) 的MOSFET，從而把正向電壓降 (IDS ? RDS(ON)) 減小至遠低于肖特基二極管壓降的水平。LT?4320 理想二極管橋控制器可控制全橋式配置中的 4 個 MOSFET。由于圖 1 中的二極管“或”處理所引起第三個二極管的壓降可利用 LT4275 LTPoE++TM / PoE+ / PoE PD 控制器來消除。其拓撲允許使用幾個小信號二極管 (在圖 2 中用紅色圈在一起) 以實現輔助輸入檢測。這些二極管不像傳統架構那樣位于電源通路當中，因此它們不會產生任何額外的電壓降或熱問題。

圖 2：改進的電源架構 (電源通路中沒有二極管壓降)

結果

與圖 1 中的電源架構相比，圖 2 所示的電源架構顯著地降低了總體功率損耗。量化一下，LT4320 與低通道電阻 MOSFET 相組合，在每個理想二極管橋 MOSFET 的兩端產生一個 20mV 壓降。這在隔離式電源上產生一個 8.96V (9V – 2 ? 20mV) 的輸入。較高的輸入電壓把所需的輸入電流減小至僅為 2.9A (26W/8.96V)，而原先則需要 3.5A。

改進型架構的最終功耗現在僅為 116mW (2.9A ? 2 ? 20mV)，而原來的架構則為 5.2W，整整下降了 45 倍! 此外，較低的輸入電流還進一步降低了隔離式電源之功率組件 (即：輸入濾波電感器、功率變壓器和開關 MOSFET) 中的功率耗散，這是因為其 I2R 功率損耗下降所致。通過簡單的計算可得出該降幅為 31% (100% – 2.9A2 / 3.5A2)。

結論

相比于傳統的全橋 / 二極管“或”設計，在支持 PoE 的安保攝像機之輔助和 PoE 輸入端上增設 LT4320 和 LT4275 可彌補 5W (5.2W – 116mW) 以上的功耗。這功耗的降低可削減 PoE 安保攝像機的熱設計時間并簡化了復雜性。