+12V Power-Over-Ethernet应用套件硬件解析

一、概述

本次为大家介绍Digi公司的+12V Power-Over-Ethernet（PoE）应用套件。该套件以National LM5070设备为基础，为PoE受电设备（PD）侧提供了参考设计。POE_12V_JS板是一个额外的电源模块，可插入Digi JumpStart开发板，为其提供+12V电源。

文件下载：DG-ACC-POE.pdf

1.1 PoE简介

以太网正逐渐成为网络计算机以外的外围设备的标准通信接口。在PoE环境中，以太网不仅能在计算机和设备之间传输数据，还能提供电力，使连接的PoE设备无需单独的电源。PoE已成为行业标准，由IEEE 802.3af覆盖，该标准允许通过以太网电缆的数据传输对或备用对供电。PoE系统分为供电端（PSE）和受电端（PD）。系统会通过检测方案来确定目的地是否连接了PD，避免向非PoE系统供电。检测到PD后，还需进行功率分类阶段，使PSE的供电能力与PD的功耗相匹配。确定有效分类并匹配后，PSE会在供电线上施加标称48V直流电，PD则将功率调节到自身所需水平。大家在实际应用中，要注意功率匹配这一步骤，避免出现供电不足或过剩的情况。

二、详细描述

2.1 POE_12V_JS_0

POE_12V_JS应用套件旨在提供符合IEEE802.3af标准的PoE 12V电源，基于National Semiconductor LM5070设备。LM5070是用于PoE系统中受电设备（PD）的电源接口端口和脉冲宽度调制（PWM）控制器，可实现功率检测、电平分类和终端系统的功率调节。其具体信息和功能描述可参考数据手册。该应用套件的一般性能特点如下：

• 完全符合802.3af电源接口端口标准。
• 完全隔离的+12V输出。
• 输入范围：32至57V。
• 输出电流：0至1A。
• 输出频率：20KHz。

2.1.1 机械结构

该模块通过两个单排、直角、SMD、RM2.54连接器连接到JumpStart套件。第一个（P1）是四针连接器，用于接入来自以太网接口的PoE信号；第二个（P2）是六针连接器，用于提供PoE模块的输出电源。模块与开发板呈直角。POE_12V_JS板的尺寸为65.88 x 25 mm。

2.1.2 反激变压器

反激变压器是一种耦合电感器，在单个带气隙的磁芯上缠绕多个绕组。为简化起见，将第一个驱动绕组称为初级绕组，主输出绕组称为次级绕组。反激转换器通过在初级绕组上施加电压来存储电感能量，类似于升压转换器。当初级电压关闭后，电感器的第二个耦合绕组（次级）将能量传输到次级侧整流器。在PoE应用套件中，LM5070直接驱动MOSFET开关，在初级绕组上施加电压。开关关闭时，次级绕组向输出整流器施加正向电流，并对输出电容器充电。大家在设计电路时，要注意反激变压器的参数选择和绕组连接方式，以确保能量的有效传输。

2.1.3 电流限制/电流检测

LM5070提供逐周期过流保护功能。电流限制通过内部电流检测比较器实现。如果电流检测比较器输入CS相对于RTN/ARTN的电压超过0.5V，输出脉冲将立即终止。建议在控制器的CS引脚附近设置一个小的RC滤波器，以过滤电流检测信号中的噪声，因为LM5070的电流检测和PWM比较器速度非常快，可能会对短持续时间的噪声脉冲做出响应。PoE应用套件有一个0.33R的检测电阻，将12V信号的输出电流限制在1.5A。

2.1.4 工作频率

通过在RT和ARTN引脚之间连接一个外部电阻来设置LM5070的振荡器频率。在LM5070 - 50中，内部振荡器的工作频率是输出（OUT）频率的两倍。要设置所需的输出工作频率，可以通过公式[R T=frac{1}{F × 330 × 10^{-12}}]计算RT电阻。在PoE应用套件中，RT电阻为15KΩ，因此输出工作频率设置为20KHz。

2.1.5 误差放大器

LM5070内部提供一个高增益误差放大器。放大器的同相参考设置为固定参考电压1.25V，反相输入连接到FB引脚。在PoE应用套件中，误差放大器功能在转换器的次级侧实现，内部误差放大器未使用。内部误差放大器配置为开漏输出，可通过将FB引脚连接到ARTN来禁用。在隔离应用中，5V参考和COMP之间的内部5K上拉电阻可作为光耦合器的上拉电阻。

2.2 PoE模块使用

POE_12V_JS应用套件提供+12V电源电压。这个+12V_POE电源输出通过一个二极管直接连接到JumpStart套件板的电源开关，因此我们可以复用Jump Start电源控制器，该控制器从9 - 30V的输入电源（在我们的案例中是+12V_POE）提供+5V（以及+/-12V）。POE模块插入Jump Start开发板后即可直接使用，此时该模块取代了输入电源插头，提供所有内部电源。

三、连接器引脚定义

3.1 连接器P1

Pin	Description	Comments
1	POE_TX_CT
2	POE_RX_CT
3	POE_RJ45_4/5
4	POE_RJ45_7/8

3.2 连接器P2

Pin	Description	Comments
1	+12V
2	+12V
3	GND
4	GND
5	POE_GND
6	POE_GND

四、国家半导体的应用笔记

• 应用笔记1358：LM5070 "AE"评估板，链接：http://www.national.com/an/AN/AN - 1358.pdf
• LM5070参考设计 - 隔离式以太网供电（POE）调节器，低成本、高效5V 7W输出，链接：http://www.national.com/rd/PAhtml/PADC_POE_5V_7W_ISO.html

在实际的电子设计中，大家可以参考这些应用笔记，进一步优化设计方案。希望本次对+12V Power-Over-Ethernet应用套件的介绍能对大家有所帮助，如果你在设计过程中有任何疑问，欢迎在评论区留言交流。