Снижение рассеивания тепла PoE видеокамер при помощи активных мостовых выпрямителей

Введение

Питание по сети Ethernet (PoE) активно используется индустрией видеонаблюдения для решения старой проблемы: сложность кабельной разводки. Например, для основной, стандартной камеры наблюдения с фиксированным углом обзора необходимо наличие двух кабелей: один для питания (10-15 Вт от 24В AC или 12В DC), и отдельный коаксиальный кабель для передачи видеосигнала. При использовании технологии PoE, один Ethernet кабель передает видеосигнал и питание. Все довольно просто, не так ли?

Не совсем. Для обеспечения совместимости с существующими системами, производители камер должны изготовлять камеры с поддержкой PoE, а также гарантировать совместимость с устаревшими источниками питания; они должны поддерживать PoE от 37В до 57В DC от разъема RJ-45 или 24В AC, +12В DC или –12В DC от дополнительного разъема питания.

При старом методе теряется мощность

На рисунке 1 показана конфигурация питания, используемая многими производителями PoE камер для решения этой проблемы. Полномостовой диодный выпрямитель после дополнительного входа вырабатывает положительное DC питание из 24В AC, +12В DC или –12В DC. Результирующее DC питание и PoE входы управляются схемой логического ИЛИ на диодах. Полученное питание подается на импульсный источник питания с изоляцией входного напряжения, который, в свою очередь, подает питание на электронные компоненты камеры.

Данная конфигурация питания имеет некоторые недостатки. Когда камера запитывается от дополнительного входа, три диода (обведены красными кружочками на рисунке 1) находятся на пути питания. Кроме этого неэффективность этой конструкции и возможные проблемы рассеивания тепла данными диодами, приведет к значительному падению напряжения на входе импульсного источника питания. Для камер мощностью 10Вт - 15Вт эти проблемы легко преодолимы, но самые новейшие камеры видеонаблюдения потребляют в два раза больше энергии. Характеристики, такие как панорамирование/наклон/масштабирование (PTZ) и нагрев объектива камеры делают данную конфигурацию питания непригодной для новой линейки камер.

Для иллюстрации недостатка конфигурации, рассмотрим камеру мощностью 26Вт. Для дополнительного входа 12В DC (предполагается в действительности 9В DC из-за использования нерегулируемого блока питания/AC адаптеров) и трех диодов Шотки с падением напряжения 0.5В, входное напряжение импульсного источника питания составляет 7.5В (9В – 3 • 0.5В). Входной ток для этой камеры составляет приблизительно 3.5A (26Вт/7.5В). Результирующее рассеивание мощности трех диодов Шотки на пути питания составляет 5.2Вт (3.5A • 3 • 0.5В). Данное рассеивание мощности приведет к повышению температуры внутри камеры.

Улучшение производительности с помощью идеального диода

На рисунке 2 показан способ устранения данного недостатка. Здесь два диода полномостового выпрямителя заменяются идеальными диодами, (обведены черным цветом) на рисунке 2. Идеальные диоды – это простые управляемые мосфеты, которые ведут себя как обычные диоды. Преимущество идеального диода в том, что он может использовать мосфеты с низким сопротивлением канала (R_DS(ON)), что приведет к снижению падения напряжения в режиме прямого тока (IDS • R_DS(ON)) на меньшую величину, по сравнению с диодом Шотки. Контроллер идеального диодного моста LT4320 обеспечивает контроль четырех мосфетов в полномостовой конфигурации. Падение напряжения на третьем диоде благодаря схеме логического ИЛИ на диодах на рисунке 1 устраняется посредством использования контроллера LT4275 LTPoE++/PoE+/PoE PD. Его топология позволяет использовать несколько слабосигнальных диодов, (обведены вместе красным цветом) на рисунке 2, для обеспечения чувствительности дополнительного входа. Эти диоды не стоят на пути питания, как в традиционной конфигурации, поэтому они больше не вносят свой вклад в дополнительное падение напряжения или в проблему рассеивания тепла.

Результаты

Конфигурация питания, показанная на рисунке 2, значительно снижает общую потерю мощности по сравнению со схемой, предложенной на рисунке 1. Для выполнения измерения, LT4320 комбинировали с мосфетами с низким сопротивлением канала, что в результате приводило к падению напряжения величиной 20мВ на каждом идеальном диодном мосте мосфета. Это обеспечивает изолированную подачу питания на вход величиной 8.96В (9В – 2 • 20мВ). Для более высокого падения напряжения на входе потребуется входной ток величиной только 2.9A (26Вт/8.96В) по сравнению с оригинальным значением 3.5A.

Результирующее рассеивание мощности улучшенной конфигурации ограничено величиной 116мВт (2.9A • 2 • 20мВ), против 5.2Вт для оригинальной конфигурации – снижение в 45 раз! Кроме того, более низкий входной ток обеспечивает снижение рассеиваемой мощности в компонентах изолированного источника питания (а именно, в дросселе входного фильтра, силовом трансформаторе и коммутирующих мосфетах) благодаря снижению их потери мощности I²R. Простое вычисление показывает величину 31% (100% – 2.9A²/3.5A²).

Заключение

Добавление LT4320 и LT4275 на дополнительный и PoE входы для камер видеонаблюдения с поддержкой PoE восстанавливает более 5Вт (5.2Вт – 116мВт) рассеиваемой мощности, по сравнению с традиционными решениями на базе полномостовой схемы/схемы логического ИЛИ на диодах. Данное снижение мощности уменьшает время, затраченное на тепловой расчет, а также сложность камер видеонаблюдения с поддержкой PoE.

Даташиты

Контроллер идеального диодного моста LT4320

Контроллер LT4275 LTPoE++/PoE+/PoE PD

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод