探索LM5071评估板：从入门到优化

一、引言

在当今的电子设备中，以太网供电（PoE）技术正变得越来越重要。它能够通过以太网电缆同时传输数据和电力，为设备的部署和管理带来了极大的便利。LM5071评估板就是一款专为PoE应用设计的低成本解决方案，它支持PoE和辅助（AUX）电源，能够为我们提供一个稳定的电源供应。今天，我们就来深入了解一下这款评估板。

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二、评估板特性

1. 输出规格

• 单路隔离输出：具备单路隔离的3.3V输出，满足许多设备对3.3V电源的需求。
• 双路隔离输出：支持双路隔离的5V和3.3V输出。这为需要不同电压的设备提供了更多的选择。
• 最大输出电流：最大输出电流可达3.3A，能够满足一定功率设备的供电需求。

2. 输入电压范围

• 宽电压范围变压器：PoE输入电压范围为38 - 60V，AUX输入电压范围为14 - 60V。
• 效率优化变压器：PoE输入电压范围同样为38 - 60V，但AUX输入电压范围变为24 - 60V。

3. 效率表现

• 宽电压范围变压器：在3A负载下，DC - DC转换器效率为81%，整体效率（包括二极管桥）为78.5%。
• 效率优化变压器：在3A负载下，DC - DC转换器效率为84%，整体效率（包括二极管桥）为81.5%。

4. 其他特性

• 尺寸：评估板尺寸为2.75 × 2.00 × 0.66英寸，体积小巧，便于集成。
• 工作频率：工作频率为250 kHz。
• PoE输入欠压锁定（UVLO）：编程的PoE输入UVLO释放电压为39V标称值，UVLO迟滞为5.9V。

三、输入电位说明

LM5071通常用于-48V系统的PoE应用。为了便于阅读，数据手册采用正电压约定。在使用测试电源测试评估板时，电源的负极相当于PoE系统的-48V电位，正极相当于PoE系统的地。在测试和使用过程中，我们要注意这种电位的对应关系，避免混淆。

四、连接与测试方法

1. 连接端口

评估板有三个连接端口：RJ45插座用于PoE输入，PJ102A电源插孔用于AUX输入，3.3V输出端口可通过J4和J5接线柱访问。

2. 输入连接

• PoE输入：通过两个二极管桥BR1和BR2将电流引导至LM5071的正负电源引脚。
• AUX输入：AUX输入电压的高电位应接入PJ102A插孔的中心引脚。

3. 输出连接

负载可以是无源电阻或有源电子负载。连接电子负载时要注意输出极性。不建议在输出端口跨接总电容大于20 µF的额外滤波电容，除非相应调整反馈环路补偿。

4. 测试注意事项

• 连接电源和负载时，应使用不小于AWG #18的足够大的导线。
• 监测被测单元的输入和输出电流，直接在板端子处监测电压，因为连接线上的电阻压降可能会降低测量精度。
• 测量DC - DC转换器效率时，应在C4或C5两端测量转换器输入电压；测量评估板整体效率时，应从评估板的端子读取输入和输出电压。

五、电源要求

1. PoE输入

为了全面测试评估板，PoE输入需要一个至少60V和1A的直流电源。

2. AUX输入

AUX电源需要一个1.5A的直流电源。同时，要使用测试电源的过压和过流限制功能，以保护评估板免受错误连接的损坏。

六、加载与电流限制行为

1. 负载选择

电阻性负载是最佳选择，但适用于低至2.0V操作的合适电子负载也是可以接受的。最大负载电流为3.3A，在低输入电压下超过此电流可能会导致振荡行为，因为器件将进入电流限制模式。

2. 电流限制触发

当通过PoE连接器的电流超过390mA（标称值）时，电流限制模式将被触发。此时，开关稳压器会通过SS引脚对软启动电容C26放电而自动禁用。模块将自动重试（打嗝），只要过流条件仍然存在，就会一直处于这种模式。

七、上电过程

1. PoE上电

建议先施加PoE电源。首次上电时，负载应保持较低。在施加全功率之前，验证签名和分类模式下的电源电流。

• 签名模式：模块应具有25 kΩ电阻与两个二极管串联的I - V特性。
• 分类模式：当RCLASS引脚悬空时，默认设置为0类，在15V时电流消耗约为600 µA。

2. 输出检查

如果在签名和分类模式下未观察到正确的响应，应仔细检查连接。如果没有电流流动，很可能是PoE电源的导体组安装不正确。一旦建立了正确的设置，就可以施加全功率。通过跨接输出端子J4（+3.3V）和J5（3.3V RTN）的电压表，可以直接测量3.3V输出线。如果在几秒钟内未观察到3.3V输出电压，应关闭电源并检查连接。

3. 效率检查

最后检查效率是确认设备正常运行的最佳方法。满载时效率明显低于80%表明存在问题。

4. AUX上电

在验证PoE操作后，施加AUX电源。建议施加AUX电源时采取与PoE相同的预防措施。如果未观察到输出电压，很可能是AUX电源馈电极性反转。成功运行后，即可开始全功率测试。

八、PD接口操作模式

1. 操作模式顺序

连接到PoE系统时，评估板的受电设备（PD）接口将按顺序经历以下操作模式：PD签名检测、功率级别分类（可选）和全功率应用。

2. 签名检测

评估板上的PD签名通过R13实现。使用26.1 kΩ的电阻R13可产生25.1kΩ的等效签名阻抗，符合IEEE 803.2af规定的23.75 kΩ至26.25 kΩ的有效PD签名范围。需要注意的是，当AUX电源存在时，PoE的供电设备（PSE）将无法将PD识别为有效设备，因为AUX电压会导致前端电流转向二极管桥在检测模式下反向偏置，从而阻止PSE供电，评估板仅从AUX源汲取电流。

3. 分类

PD分类通过R22实现。评估板通过将RCLASS引脚悬空（R22位置未安装）设置为默认的0类。要激活特定类别而不是0类，可根据以下表格安装R22：	类别	PMIN	PMAX	ICLASS(MIN)	ICLASS(MAX)	R22选择
0	0.44W	12.95W	0mA	4mA	开路
1	0.44W	3.84W	9mA	12mA	150Ω
2	3.84W	6.49W	17mA	20mA	82.5Ω
3	6.49W	12.95W	26mA	30mA	53.6Ω
4	保留	保留	36mA	44mA	38.3Ω

九、输入UVLO和UVLO迟滞

1. 编程设置

输入UVLO阈值和UVLO迟滞可以通过选择R5和R37独立编程。UVLO释放阈值主要由R37和R5的比值决定，公式为：$UVLO{release} = x 2V + 2 x VF (1 + frac{R5}{R37})$，其中VF是输入电流转向桥单个二极管的正向电压降。UVLO迟滞由公式$UVLO{hysteresis} = 10µA × R5$确定。

2. 评估板设置

评估板使用33.2 kΩ的R37和590 kΩ的R5，将UVLO释放阈值设置为约39V，UVLO迟滞设置为5.9V。C1用于过滤输入电压瞬变，防止输入UVLO的错误激活或释放。

十、AUX电源选项

1. 低电压操作

对于AUX电源选项，与AUX引脚相连的电路迫使UVLO释放，以便在低至10.5V的AUX电压下运行（LM5071 IC的VIN引脚看到9.5V）。当AUX输入低于14V时，需要安装D2，它将绕过内部启动稳压器，直接为LM5071 IC提供偏置电压以启动。

2. 保护措施

当开关电路建立稳定运行时，Vcc将由变压器绕组提供高达16V的电压。为防止该电压通过反向馈电损坏内部启动稳压器，引入了D3来保护IC，绕过反向馈电路径并钳位VCC引脚。在评估板上，D3已经安装。但对于输入电压始终高于18V的应用，可以移除D3以节省物料清单（BOM）成本。

3. 元件选择

与辅助输入串联的小值电阻用于限制辅助电源的浪涌电流，应根据设计约束尽可能选择大的值。特别要注意D1、D2、D3、D4和Q3的选择，它们都应是低泄漏电流的器件，否则PoE操作期间的泄漏电流会在IC的AUX引脚产生虚假信号。评估板设计考虑这些器件的最大结温为55°C，在该温度下选择合适的器件不会在AUX引脚产生虚假信号。

十一、反激式转换器拓扑

1. 拓扑特点

评估板的DC - DC转换器阶段采用反激式拓扑，它使用最少的功率组件以最低的成本实现隔离电源。反激式变压器的独特之处在于，它在每个开关周期中，当主开关导通时先将能量存储在变压器磁芯中，然后在周期的其余时间将存储的能量释放到负载。如果在主开关再次导通之前存储的能量没有完全释放，则反激式转换器工作在连续导通模式（CCM）；否则，工作在不连续导通模式（DCM）。

2. CCM与DCM比较

• CCM优点：具有较低的纹波电流和纹波电压，需要较小的输入和输出滤波电容；较低的均方根电流，从而降低传导损耗。
• CCM缺点：存在右半平面零点，可能限制反馈环路的可实现带宽；在占空比大于50%时需要斜率补偿来稳定反馈环路。

3. 评估板应用

评估板使用初级电感为32 µH的小功率变压器，这是为了使小变压器能够在14V至60V的宽输入电压范围内工作。在输入电压低于42V的满载情况下，反激式转换器工作在CCM；在较高输入电压或轻载时工作在DCM。LM5071内置的斜率补偿有助于在低输入电压范围占空比超过50%时稳定反馈环路。变压器绕组用于为LM5071 IC提供偏置电压（VCC），其产生的VCC比内部启动稳压器输出高约2V，从而关闭启动稳压器，降低IC内部的功耗。

十二、限制最小工作输入电压的因素

1. 变压器设计

安装的EP13型电源变压器（DA2257 - AL或DCT13EP - U12S005）是一种低成本解决方案，可在较宽的AUX输入电压范围内工作。但EP13磁芯的小横截面积限制了其能处理的最大磁通量。为了在14V至60V的满载条件下使用这种小变压器，必须在最小工作输入电压和变压器的最大电感之间进行折衷，以确保14V输入时的峰值电流不会使峰值磁通密度超过3000 Gauss。这种低成本解决方案的缺点是会增加DC - DC转换器阶段的均方根电流，并使DC - DC转换器的效率降低约3%。

2. 电流检测电阻

电流检测电阻R14和R15也会限制最小AUX输入工作电压。LM5071的内部斜率补偿在输入电压低于22V且占空比超过50%时稳定DC - DC转换器的反馈环路，但斜率补偿的相对大小与R14和R15的值成反比。R14和R15的最大值由公式$frac{f{SW} x Lm}{kt x (V{O} + V{F})} geq frac{R14 x R15}{1.8 x D{max}} geq frac{R14 + R15}{2 x D_{max} - 1}$确定。选择0.30Ω的R14和R15可以允许最小工作电压为14V。对于更低的AUX输入电压，Dmax增大，因此R14和R15必须相应减小，但较小的电阻会增加斜率补偿，使反馈环路更像电压模式，需要使用低ESR电容C16。

十三、性能特性

1. 上电顺序

LM5071的高度集成设计使得所有电源排序通信都在IC内进行，用户几乎不需要进行系统管理设计。上电顺序如下：

• 上电前，电源非隔离部分的所有节点保持高电位，直到UVLO释放，内部热插拔MOSFET的漏极被拉低至VEE。
• 当IC的RTN引脚降至1.5V以下（相对于VEE）时，VCC稳压器释放并开始启动，这标志着内部“电源良好”信号的断言。VCC稳压器以其电流限制（通常为20 mA）除以VCC负载电容C19的速率上升。
• 当VCC稳压器达到最小调节值（相对于RTN约7.6V）时，软启动引脚释放，软启动引脚以软启动电流源（通常为10µA）除以软启动引脚电容C26的速率上升。
• 当开关稳压器达到调节状态时，辅助绕组将VCC电压提升至约10V，从而关闭内部稳压器并提高效率。

2. 输出短路故障响应

评估板在输出短路情况下会进入重试模式（打嗝）。将+3.3V线路短路会依次触发一系列保护机制：

• 反馈增加占空比以试图维持输出电压，这会启动逐周期过流限制，当电流检测（CS）引脚超过电流限制阈值时，主开关关闭。
• 内部PD接口MOSFET的平均电流上升，直到在约390 mA处被限流。由于电流限制放大器需要时间来响应并改变MOSFET的工作模式，会观察到电流有一些过冲。
• 由于线性电流限制是通过将MOSFET驱动到饱和区域来实现的，漏极电压（RTN引脚）上升。当相对于VEE达到2.5V时，内部电源良好信号被解除断言。
• 电源良好信号的解除断言导致软启动电容放电，从而禁用DC - DC转换器中的所有开关动作。
• 一旦开关停止，内部MOSFET中的电流将减小，漏极电压将相对于VEE降至1.5V以下。当电源良好信号重新断言时，DC - DC转换器将自动以新的软启动序列重启。

3. 阶跃响应

在VIN = 48V时，评估板的阶跃负载响应表现出一定的特性，通过相应的波形图可以观察到输出电压和电流的变化情况。

4. 纹波电压/电流

在48V输入电压和3.3A输出时，评估板的输出纹波电压和输入纹波电流也有特定的表现，通过波形图可以直观地看到这些参数。

5. 反激式变压器波形

在48V输入电压和3.3A输出时，主开关Q1的漏源电压和整流二极管D5的反向电压的典型波形可以帮助我们了解反激式变压器的工作情况。

十四、评估板的重新配置

1. 3.3V和5V双输出重新配置

标准评估电路可以轻松重新配置为2A 3.3V和0.6A 5.5V的双输出电源。重新配置需要安装用于5.5V输出轨的组件。

2. 非隔离输出应用重新配置

对于不需要输出隔离的应用，可以使用评估板的非隔离版本以降低BOM成本。重新配置电路板为非隔离版本可以通过以下四个步骤完成：

• 删除电路板和BOM中未使用的部件：C20、C22、C25、C28、R7、R11、R16、R17、R24、U2和U3。
• 使用AWG 26的母线连接测试点P5和P6。
• 通过安装R2010尺寸的0Ω电阻或焊接一段AWG 2