どの PoE トランスが最適かを判断する: フライバックまたはフォワード?

May 25, 2023

変圧器は、パワー エレクトロニクス、商用電源、LED 照明設計、そして現在では Power-over-Ethernet (PoE) として知られる無線 LAN 分野を再定義した電気機器です。 次の PoE ベースの設計で考慮すべきトランス トポロジには、フォワードとフライバックの 2 種類があります。

PoE は、低電圧デバイスに電力を供給するために 120 V コンセントや近くの回路ブレーカーを探すことなく電力を供給する、かなり新しい方法です。 この方法が導入されたとき、開発者は PoE 経由で 5 W 未満の電力しか生成できませんでした。 現在、最大 100 W の PoE を備えた電源設計を提供する方法があります。

IT ルームの機器を設計する際には考慮すべきことがたくさんあります。 エンジニアが直面する課題の 1 つは、電源をどこから調達するかということです。 また、中電圧 (たとえば 480 V) しか利用できない場合、低電圧電源を得るために降圧変圧器を追加するのに十分なスペースはありますか?

これらの質問と電気安全規定、建築基準法、および設備コストを組み合わせると、設計者は、共通のデータ ルームで完全に機能するシステムを作成するために多くの制約に直面する可能性があります。

これが、このようなプロジェクトにとって PoE が魅力的なアイデアとなる理由です。 低電圧 DC 電力をデバイスに直接供給するため、AC 電源を見つける複雑さがなくなります。

PoE 方式は、ビデオ IP 電話を備えた設計に必要な電力を供給します。 マルチチャネル、無線 LAN アクセス ポイント。 多方向IPカメラ。

DC-DC コンバータで使用する場合によく議論される PoE トランスには、フライバック トポロジとフォワード トポロジの 2 種類があります。 フォワードおよびフライバック変圧器は、PD 回路に電力を供給するために PoE 入力電圧を降圧しながら、受電装置のインターフェイスを残りの回路から分離できます。

2.5 V を超える出力電圧を持つ設計の場合、フライバック コンバータ ベースのトランスが最も有用なオプションとなる可能性があります。 フライバックトランスは、ギャップのあるコアを持つ結合インダクタです。 これは、各デューティ サイクル中に入力電圧が一次巻線に印加されることを意味します。

スイッチ、バイポーラ トランジスタ、または MOSFET が開閉すると、コアのギャップに蓄えられたエネルギーがトランスの 2 次巻線に流れ、負荷側に電力が供給されます。 フライバックの欠点は、出力電流リップルが大きくなるため歪みが発生することです。 フィルタが必要なため、設計コストが増加します。

通常 12 V 未満の出力電圧を必要とする電源設計の場合、フォワード PoE トランスが生産的な選択肢となる可能性があります。 フライバックトランスとフォワードトランスの違いは、追加のディスクリートコンポーネントです。 フライバックトランスはエネルギーを蓄積できるため、同じ結果を得るには出力フィルタ、エネルギー蓄積インダクタ、および追加の整流デバイス（ダイオードなど）が必要です。

フライバックトランスとフォワードトランスの両方がマルチ出力電圧に対応するように装備されています。 ただし、電流のリップルが大きいため、フライバックトランスには多くの不要なノイズが発生します。 フォワードトランスと同じ出力を実現するには、インダクタやコンデンサなどのより大きなディスクリート部​​品を設計に追加する必要があります。

どちらのトランスも本質的に他方より優れているわけではありません。 ほとんどの設計原則と同様に、エンジニアがフライバック トポロジとフォワード トポロジのどちらを選択するかは、アプリケーションと PCB のフットプリントに大きく依存します。

急成長する変圧器業界の一例として、最近、ネットワーキング、通信、高速データ伝送の大手メーカーであるベル ヒューズが、SPoE と呼ばれる新しい表面実装型変圧器シリーズを発表しました。

Bel Fuse の SPoE はフライバック方式を利用しています。 同社はこのデバイスが高密度基板に役立つと主張している。 高密度 PCB を使用すると、設計者は基板の両面を使用できるため、コンポーネントを追加できます。

複雑な低電圧設計では不要な歪みが発生する可能性があり、フライバック トポロジでは追加のコンポーネントが必要になるため、これは有益です。 全体として、SPoE は 60 V の入力電圧を持つ設計の候補となる可能性があります。

現在、モノのインターネット (IoT) により、動作に 5 W 以上を必要とするコンピューティング デバイスの市場が拡大しています。 開発者は、低電圧、高出力のネットワーク デバイス向けの新しい電源ソリューションを提示し続けることで、需要の先を行く必要があります。 PoE トランスは、エンジニアに設計ベルトを取り付けるための別のツールを提供します。