PoC 同軸供電的工作原理及設計要點

什麼是 PoC

PoC(Power Over Coaxial)同軸供電技術。利用電源疊加技術,透過一根同軸電纜同時傳輸交流訊號與直流供電。

我們以安裝在屋頂天線上的無線電放大器舉例:

圖1:屋頂天線上的無線電放大器(圖片來源:TI)

如上圖,透過一根同軸電纜,連接屋頂的電線與家裡的接收器。天線的放大器部分,需要額外的供電。我們可以看到透過一根同軸電纜,即給放大器供電,又實現了訊號傳輸。

PoC 工作原理

在一根線纜上同時傳輸交流訊號和直流供電,不會打架嗎?

我們可以透過簡單的電容、電感來分開直流通路與交流訊號通路,進而使得交流訊號和直流供電,透過一根線纜傳輸時互不干擾。

交流訊號通路

對於高頻交流訊號,電容的阻抗很低,電感的阻抗很高。

由於這一個特性,高速交流訊號能夠透過同軸電纜傳輸交流訊號。

圖2:交流訊號通路(圖片來源:TI)

電感的阻抗 Z_L應足夠大,進而避免訊號透過電感流失,導致訊號衰減。

直流供電通路

對於直流供電,電容的阻抗很高,電感的阻抗很低。

因此,電源可以透過電感注入同軸電纜線,另一端透過電感提取。然後用它為本地放大器供電。

圖3:直流供電通道(圖片來源:TI)

電感內阻和導線電阻應足夠低,以便有效的供電。

圖4:阻抗與頻率的關係(圖片來源於TI)

隨著頻率的增加,電容的阻抗越來越小,電感的阻抗越來愈大,進而直通供電通路的增益越來越小,交流訊號通路的增益越來越大。

PoC 設計要點

由以上的分析可以看出,設計的關鍵是:透過電感電容的選擇,儘量讓交流訊號通路和直流供電通路相互不受對方影響。

圖5:交流訊號通路vs.直流供電通路(圖片來源:TI)

  • 交流訊號通路:
  1. 電感提供足夠高的阻抗,以避免降低交流訊號。
  2. 電感應該具有高飽和電流,以便能夠支持滿載時的直流電流。
  3. 透過電感的雜訊或干擾訊號必須保持足夠低,以避免降低訊號品質。
  • 直流供電通路:
  1. 電感內阻與導線電阻必須保持足夠低,避免損耗過多能量,以便有效的供電。
  2. 為了供電效率提高,通常使用更高的供電電壓。而當使用更高的供電電壓時,交流耦合電容必須具有相應的高壓額定值,以承受高壓。

選擇合適的電感

選擇合適的電感,是設計PoC的關鍵點。對於高頻訊號傳輸,電感已經不再是一個簡單的電感,我們還要考慮電感的寄生電容電阻,下面是電感的等效模型:

圖6:電感等效模型(圖片來源於TI)

以下是選擇電感時需要考慮的關鍵參數:

  • L :電感值
    理想的電感阻抗會與頻率成比例增加,但實際的電感卻並非如此。阻抗曲線呈抛物線形。在電感值的選擇中,我們要保證在較寬的訊號傳輸頻率範圍內都要保持高阻抗。

圖7:頻率與電感值(圖片來源於TI)

  • ISAT :電感磁芯飽和電流
    磁芯飽和時,電感值顯著下降,進而無法再支持高阻抗。因此,ISAT的選擇必須足夠高,以支援電路的全部直流電流。IDC應該遠遠小於ISAT

圖8:磁芯飽和時,電感值顯著下降(圖片來源於TI)

  • RL :電感的內部電阻
    RL 越低越好,這樣直接供電時,電感上就不會產生太多的壓降,進而影響功率傳輸。
  • SRF :自諧振頻率
    當電感兩端頻率超過該自諧振頻率之後,電感表現的不像一個電感。這時,寄生電容起到主導作用,進而隨著頻率增高,阻抗反而變低。

圖9:自諧振頻率與工作頻率範圍(圖片來源於TI)

因此,SRF必須選擇足夠高的頻率,以便支援電路的工作頻率。當工作頻率範圍在電感SRF附近時,電感阻抗最高,對交流訊號傳輸影響最小。電感必須具有足夠寬的頻寬,以便能夠支援訊號的工作頻率。

Digi-Key 網站上的電感

透過 Digi-Key 電感產品頁面可以快速篩選飽和電流,自諧振頻率等參數,找到合適的電感產品。

圖10:Digi-Key網站,快速篩選飽和電流、自諧振頻率

設計實例

下面這個設計實例中,使用了 TI 的 FPD Link III 序列器與解序器,實現遠端攝影機模組的供電與訊號傳 輸。

圖11:遠端攝影機模組的供電與訊號傳輸

上面的示例中,可透過長達幾米的單根纜線實現以下功能:

  1. 直流供電
  2. 雙向的控制訊號傳輸
  3. 高速視訊訊號非壓縮傳輸

TI FPD LinkIII序列器/解序器

TI FPD Link III設備還包括自我調整等化器技術,可在2.1 GHz下補償高達21 dB的損耗,進而能夠使用非常細的AWG 28至AWG32的纜線。AWG編號越高,電纜越細,訊號損耗越高。

序列器:DS90UB953

解序器:DS90UB954

更多TI序列器與解序器

透過序列器與解序器的選擇,還可以實現多個各種模組之間的互聯。

圖12:透過序列器與解序器,實現各模組的互聯(圖片來源:TI)

Digi-Key 網站中可以提供序列器和解序器的參數篩選功能,包括輸入輸出類型的匹配,數據速率等。

輸入輸出類型

圖13:透過Digi-Key網站,快速篩選序列器和解序器

同軸電纜

同軸電纜經常用於PoC這種方案,同軸電纜的遮罩層可以有效的保護高速訊號傳輸,免受EMI干擾,同時遮罩層可以充當直流電流的返回路徑。