有源桥式整流器降低PoE安全摄像机的散热

日期:2018-07-02

 
作者:Ryan HuffPoE应用工程师,Analog Devices, Inc.
 
作为一个古老问题的解决方案以太网供电(PoE)已经被视频监控行业所接受:复杂的布线。例如,一个基本的、传统的固定视图安全摄像机需要两条电缆:一条用于电源(从24V AC或12V DC的10W到15W),以及一个用于视频信号的单独同轴电缆。使用PoE,单以太网电缆既承载视频数据又携带电力。一切都简化了。对吗?
不完全是这样。为了满足与现有系统的兼容性,相机制造商必须生产与传统电源兼容的PoE相机,它们必须从辅助电源连接器接收的37V至57V DC接受来自RJ-45插孔或24V AC、+12V DC或-12V DC。
 
老方法就失去了动力
图1显示了许多PoE相机制造商用来解决这个问题的电源架构。辅助输入后的全桥二极管整流器从24V AC, +12V DC or –12V DC产生正DC功率。所得到的DC功率和PoE输入是二极管ORed,与获得的电源一起馈送到宽输入电压隔离开关电源,这反过来又为相机电子设备供电。
 

图1:辅助输入与PoE功率结构
 
 
这种电源架构提出了一些挑战。当相机从辅助输入供电时,三个二极管(图1中的圆圈)落入电源路径。除了这种设计的低效性和二极管耗散可能的热问题外,三个二极管导致了输入到开关电源显著的电压降。使用10W到15W的摄像头,这些挑战很容易克服,但最新的安全摄像机使这种功耗增加了一倍。像PAN/倾斜/变焦(PTZ)和相机镜头加热器等户外操作的特性使得这种电源架构不适合这种新的相机。
为了说明架构的不足,考虑一个26W相机。对于12V DC辅助输入(假设使用非稳压壁式/AC适配器)和三个0.5V压降肖特基二极管,实际上是9V DC,开关电源的输入电压为7.5V(9V – 3 • 0.5V)。该相机的输入电流大约为3.5A(26W/7.5V)。功率路径中三个肖特基二极管的功率耗散为5.2W(3.5A • 3 • 0.5V)。这种功耗导致相机内的较高温度,这是困难、耗时和昂贵的。
 
理想二极管性能改善
图2显示了一个对付这一缺点的方法。这里,两个全桥整流二极管替换为理想二极管,图2圈出(黑色)。理想二极管是MOSFET控制的,表现象普通二极管。理想二极管的优点是,可以使用低通道电阻RDS(ON)的MOSFET,从而降低正向电压降(IDS • RDS(ON)),比肖特基二极管压降小得多。LT4320理想二极管桥控制器能控制全桥配置的四个MOSFET。图1中,由于二极管OR,第三个二极管压降被LT4275 LTPoE++™/PoE+/PoE PD控制器消除。其拓扑结构允许使用一些小信号二极管,图2中圈出(红色),用于辅助输入传感。这些二极管不是传统架构的电源路径,所以它们没有任何额外的电压降或热问题。
 

图2:功率路径中没有二极管压降的改进功率结构
 
结果
图2所示电源架构与图1相比,大大降低了整体功耗。为了量化,LT4320采用低沟道电阻MOSFET,在每个理想二极管桥MOSFET上产生20mV压降。这产生了隔离电源8.96V(9V – 2 • 20mV)的输入。与原来的3.5A相比,较高输入电压降所需的输入电流下降到仅2.9A(26W/8.96V)。
改进后架构的功率耗散为116mW(2.9A • 2 • 20mV),而原有架构为5.2W,减少了45倍。此外,较低的输入电流进一步降低了隔离电源的功率元件(即,输入滤波电感器、电源变压器和开关MOSFET)的功率损耗,因为它们的I2R功率损耗减小。简单的计算减少了31%(100% – 2.9A2/3.5A2)。
 
结论
将LT4320和LT4255添加到PoE安全摄像机的辅助和PoE输入中,降低了超过传统全桥/二极管或设计的5W(5.2W – 116mW)功耗。这种功率的降低简化了PoE安全摄像机的热设计时间和复杂性。
 
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