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© aydindurdu dreamstime.com Application Notes | 28 November 2016

Aktive Brückengleichrichter reduzieren Wärmeentwicklung in PoE-Überwachungskameras

Power over Ethernet (PoE) wurde von der Video-Überwachungsindustrie als eine Lösung für ein uraltes Problem angenommen: komplizierte Verkabelung.
Einleitung

Eine einfache traditionelle Überwachungskamera mit fester Einstellung benötigt zwei Kabel: eines für die Stromversorgung (10 W aus 24 VAC oder 12 VDC) und ein separates Koax-Kabel für das Video-Signal. Bei PoE überträgt ein einziges Ethernet-Kabel sowohl die Stromversorgung als auch die Video-Daten. Alles ist damit viel einfacher. Wirklich?

Nicht ganz. Um die Kompatibilität mit bestehenden Systemen zu erzielen, müssen die Hersteller PoE-fähige Kameras produzieren, die auch kompatibel mit der traditionellen Stromversorgung sind – sie müssen 37 V bis 57V PoE über einen RJ-45-Stecker und + 12 VDC oder – 12 VDC über einen separaten Stromversorgungsanschluss akzeptieren.

Die alte Methode vergeudet Leistung

Bild 1 zeigt die Stromversorgungsarchitektur, die von vielen PoE-Kameraherstellern benutzt wird, um dieses Problem zu lösen. Ein Vollbrückendiodengleichrichter nach dem Stromversorgungseingang (traditionelle Methode) generiert eine positive Gleichspannung aus entweder 24 VAC, + 12 VDC oder – 12 VDC. Die resultierende DC-Leistung und die PoE-Eingänge werden über Dioden mit der Versorgung auf einen isolierten Schaltregler mit einem weiten Eingangsspannungsbereich Oder-Verknüpft (diode-ORed), der wiederum die Kameraelektronik versorgt.

Bild 1: PoE-Stromversorgungsarchitektur mit einem zusätzlichen Stromversorgungseingang

Diese Stromversorgungsarchitektur stellt jedoch einige Herausforderungen. Wenn die Kamera am Stromversorgungseingang betrieben wird, fallen drei Dioden (eingekreist in Bild 1) in den Versorgungspfad. Zusätzlich zur Verlustleistung dieses Designs und möglichen Wärmeproblemen der von diesen Dioden abzuführenden Wärme, führen diese drei Dioden zu einem signifikanten Spannungsabfall am Eingang des Schaltreglers. Bei einer 10-W- bis 15-W-Kamera sind diese Herausforderungen einfach zu überwinden, aber die neusten Überwachungskameras haben diesen Leistungsbedarf verdoppelt. Funktionen wie Pan/Tilt/Zoom (PTZ) und beheizte Kameralinsen für den Betrieb im Außenbereich machen diese Stromversorgungsarchitektur für die neuen Kameras nicht mehr geeignet.

Um die Defizite dieser Architektur zu illustrieren, nimmt man eine 26-W-Kamera Bei einem separaten 12-DC-Stromversorgungseingang (es wird angenommen, das er aktuell, wegen der ungeregelten Netzstecker/AC-Netzadapter nur 9 V liefert) und drei Schottky-Dioden mit je 0,5 V Spannungsabfall, liegt die Eingangsspannung für den Schaltregler bei 7,5 V (9 V – 3 x 0,5 V). Der Eingangsstrom für diese Kamera ist rund 3,5 A (26 W/7,5 V). Die resultierende Verlustleistung der drei Schottky-Dioden im Leistungsstrang beträgt 5,2 W (3,5 A x 3 x 0,5 V). Diese Verlustleistung führt zu höheren Temperaturen innerhalb der Kamera, die nur schwierig, zeitaufwändig und teuer zu vermindern ist.

Verbessern der Leistung durch ideale Dioden

Bild 2 zeigt einen Weg diesem Defizit entgegenzuwirken. Hierzu werden die beiden Dioden des Vollbrückengleichrichters durch ideale Dioden ersetzt (schwarz eingekreist) in Bild 2. Ideale Dioden sind einfache MOSFETs, die so gesteuert sind, dass sie wie normale Dioden wirken. Der Vorteil einer idealen Diode ist, dass man MOSFETS mit einem geringen Kanalwiderstand (RDS(ON)) einsetzen kann und damit die Vorwärtsspannung (IDS x RDS(ON)) deutlich unter den einer Schottky-Diode senken kann. Der Ideale-Dioden-Brückengleichrichter-Controller LT4320 ermöglicht die Steuerung von vier MOSFETs in einer Vollbrücken-Konfiguration. Der dritte Diodenspannungsabfall aufgrund der Dioden-OR in Bild 1 wird von dem LTPoE++/PoE+/PoE PD-Controller LT4275 eliminiert. Diese Topologie erlaubt die Verwendung von einigen wenigen Kleinsignal-Dioden (rot eingekreist) in Bild 2, zum Erfassen des separaten Versorgungsstromeingangs. Diese Dioden befinden sich nicht im Leistungspfad wie in der traditionellen Architektur, so dass sie keinen zusätzlichen Spannungsabfall einbringen und damit Wärmeprobleme vermeiden.

Bild 2: Verbesserte Stromversorgungsarchitektur ohne Dioden-Spannungsabfälle im Leistungsstrang

Ergebnisse

Die in Bild 2 dargestellt Stromversorgungsarchitektur senkt die Verlustleitung insgesamt signifikant im Vergleich zu der von Bild 1. Um dies zu quantifizieren, resultiert der LT4320 zusammen mit MOSFETS mit geringem Kanalwiderstand in einem Spannungsabfall von 20 mV an jedem Idealen-Dioden-Brücken-MOSFET. Dies generiert eine Eingangsspannung an der galvanisch getrennten Stromversorgung von 8,96 V (9 V – 2 x 20 mV). Die höhere Eingangsspannung reduziert den erforderlichen Eingangsstrom im Vergleich zu den ursprünglichen 3,5 A auf nur 2,9 A (26 W/8,96 V).

Die resultierende Verlustleitung der verbesserten Architektur liegt nun bei spärlichen 116 mW (2,9 A x 2 x 20 mV) im Vergleich zu den 5,2 W der ursprünglichen Architektur – eine Verbesserung um das 45fache! Darüber hinaus reduziert der kleinere Eingangsstrom die Verlustleistung in den Leistungskomponenten der isolierten Stromversorgung noch weiter (z.B. Eingangsfilterspule, Leistungstrafo und Schalt-MOSFET) durch die Reduzierung ihrer I2R–Verluste. Eine einfache Kalkulation zeigt eine Reduzierung um 31 Prozent (100% – 2.9A2/3.5A2).

Zusammenfassung

Das Hinzufügen des LT4320 und LT4275 zu den separaten Stromversorgungs- und PoE-Eingängen von PoE-fähigen Überwachungskameras senkt die Verlustleitung im Vergleich zu mit einem traditionellen Vollbrücken/Dioden-OR-Design um mehr als 5 W (5,2 W -116 mW). Dieser geringere Leistungsbedarf vereinfacht das thermische Design und verringert die Komplexität von PoE-Überwachungskameras.
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Autor: Ryan Huff, PoE Applications Engineer, © Linear Technology Corporation

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