探索POEPHYTEREV-I/-E评估板：设计与应用全解析

在当今的电子设计领域，Power over Ethernet（PoE）技术凭借其能在以太网上同时传输数据和电力的特性，成为了众多应用的理想选择。德州仪器（TI）的POEPHYTEREV - I/-E评估板，为我们提供了一个绝佳的平台来深入研究和应用这一技术。今天，我们就来详细探讨一下这款评估板的设计、特性以及使用方法。

文件下载：DP83848C-MAU-EK.pdf

评估板概述

POEPHYTEREV - I/-E评估板是一款无缝设计的产品，它集成了TI的LM5072 PoE产品（最高支持24W）和DP83848I 单端口10/100Mb/s以太网PHYTER®产品。该评估板有两个版本： - I版本配备集成以太网磁体的RJ - 45连接器； - E版本则采用分立的RJ - 45连接器和以太网磁体。评估板的原理图可用于复制到最终应用产品中。

应用范围

这款评估板主要针对高功率PD（PoE术语 - 受电设备）应用，其最大功率超过了IEEE 802.3af的12.95W限制。评估板采用了TI的DP83848 10/100 Mb/s PHYTER@以太网物理层收发器，因此需要任何提供标准IEEE 802.3、Clause 22 MII DTE接口的设备，如SmartBits/Netcom盒，作为以太网设备的数据源。LM5072是一款100V的高功率PoE PD和PWM控制器，评估板能够同时使用PoE和辅助（AUX）电源，电源的dc - dc转换器阶段采用了多功能反激式转换器拓扑。

电路板版本说明

评估板有两种PCB版本，可通过电路板顶侧左边缘打印的PCB序列号来识别。一种版本标记为551012916 - 001 Rev A，另一种为551013040 - 001 Rev A。第一种版本不能将3.3V输出修改为更高电压，因为它通过内层直接连接到PHY；第二种版本进行了修改，可以在不损坏PHY电路的情况下产生更高的输出电压。两个版本的工厂默认输出设置均为3.3V，若要将后者版本修改为其他输出电压，可联系TI支持。

评估板特性

以太网特性

• 集成或外部磁体和RJ45：提供灵活的连接方式。
• 最小配置要求：2个PHY地址 - 01h（默认）或03h；状态LED - 板电源，其他取决于所选的LED模式；有限的跳线选项 - MDIX_EN、LED_CFG、PWR_DWN/INT、MII/RMII Sel；RESET_N跳线；PWR_DWN/INT跳线。
• 接口连接：支持MIl/RMII接口（IEEE 802.3标准）、RJ - 45 Cat - V以太网电缆连接器、JTAG头、25MHz_OUT头以及用于与MII/RMII连接的“带状电缆”头。
• 板载时钟：采用晶体/振荡器双引脚封装。

PoE特性

• 隔离输出电压：3.3V。
• 最大输出电流：7.3A。
• 最大输出功率：24W。
• 输入电压范围：PoE输入电压范围为39至57V；AUX输入电压范围为22至57V。
• 测量的最大效率：DC到DC转换器效率在6A时为90%；整体效率（包括输入二极管桥）在6A时为86%。
• 整体板尺寸：5.50” x 3.96” x 0.70”。
• 开关频率：250 kHz。
• 可选输入共模滤波器：可根据需求添加。

PCB布局考虑因素

• 材料：采用FR4材料。
• 差分对布线：差分对内的走线对称（±0.5"），差分阻抗为100欧姆，±5%；相邻差分对间距大于差分对内距离的2倍，以最小化串扰和EMI；差分对之间的走线长度无需匹配。
• 电源和接地平面：采用均匀的电源和接地平面；磁体下方除了机箱接地（仅在RJ - 45边缘）外，不设置平面。
• 焊接技术：结合了通孔和表面贴装技术；走线/间距最小为0.007”/0.008”。

使用设置和配置

电源供应

评估板的电源可以通过多种方式提供：

• MII连接器J1。
• 通过未使用的线对提供PoE。
• 通过数据线对提供PoE。
• 外部电源连接到P1。

如果从MII连接器提供5V电源，板载电压调节器U2将把5V转换为3.3V供PHYTER®使用，此时应移除J7；如果从MII连接器提供3.3V电源，J7需要接通。仅适用于PCB序列号为551013040 - 001 Rev A的电路板版本：如果PoE主输出设置为3.3V（工厂默认设置），J7应短路；若要将输出修改为其他更高电压，应在U2上安装3.3V LDO，并且J7必须断开。

地址设置

DP83848物理层设备的PMD地址由跳线J3设置。默认板设置的PHY地址为01h，可通过添加跳线J3将板设置为PHY地址03h。

状态指示灯

评估板通过LED提供众多状态指示，包括链路 - DS3、媒体速度 - DS2、活动/冲突 - DS4、以太网设备电源 - DS1、PoE电源 - LED1等。其他状态可通过添加跳线J5设置，具体信息可参考PHYTER Extreme Temperature Single Port 10/100 Mb/s Ethernet Physical Layer Data Sheet（SLLSEC6）。

连接和测试方法

评估板有七个连接端口：

• J1：42针MII连接器，用于以太网媒体独立接口。
• JE4至JE7：双对连接引脚，用于3.3V输出。
• J13： - E版本板上的常规RJ45连接器，用于PoE输入和数据链路。
• UE13： - I版本板上的Bel Stewart集成RJ45连接器，用于PoE输入和数据链路。
• TP7和TP8：一对引脚，用于快速将PoE输入连接到台式电源，TP7为高电位引脚。
• P1：PJ102A电源插孔，用于辅助（AUX）电源输入，P1的中心引脚为高电位引脚。
• TP3和TP4：一对引脚，用于快速将AUX电源输入连接到台式电源，TP3为高电位引脚。

在连接和测试时，需要注意以下几点：

• 对于PoE输入，通过RJ45连接器时，使用二极管桥BR1或BR2将电流引导到LM5072的正负极电源引脚；使用TP7和TP8连接台式电源时，确保TP7为高电位端子。
• 对于AUX电源输入，较高电位应输入到P1的中心引脚；使用TP3和TP4连接台式电源时，注意TP3为高电位引脚，二极管DE1提供AUX输入的反向保护。
• 注意TP4和TP8分别是PoE和AUX输入的不同返回引脚，它们不连接到同一电路节点，不应互换。
• 输出连接时，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，因为额外电容会改变反馈回路特性，可能导致不稳定。如果在特定应用中需要添加额外电容，必须相应调整反馈回路补偿。
• 连接电源和负载时，需要使用足够粗的电线，如AWG #18或更粗的电线。同时，监测电路板的输入和输出电流，直接在电路板端子处监测电压，因为连接线上的电阻电压降可能会降低测量精度。如果需要精确测量效率，不要依赖台式电源的电压表或电流表。

电源和负载相关

源电源

为了充分测试评估板，PoE输入需要一个能够提供30W的高功率PSE或一个至少60V和1A的实验室台式直流电源；AUX源电源可以使用24V交流适配器或一个30V和3A的直流电源。使用台式电源的输出过压和过流限制功能，以保护电路板免受错误连接的损坏。

负载/电流限制行为

电阻负载是最佳选择，但指定可在低至2.0V下运行的合适电子负载也是可以接受的。最大负载电流为7.3A，在低输入电压下超过此电流可能会导致振荡行为，因为电路将进入电流限制模式；在高输入电压下超过此电流可能会迫使DC - DC转换器进入逐周期峰值电流限制模式。当通过PoE连接器的平均电流超过800 mA时，电流限制模式将被触发，电路将进入重试模式（打嗝）。在两种电流限制模式下，电路不会被锁定关闭，故障条件消除后将自动恢复正常运行。

上电

首次上电时，建议先施加PoE电源，负载应保持在合理的低水平（低于满载的25%）。在施加全功率之前，检查签名检测和分类模式下的电源电流。在检测模式下，模块应具有25 kΩ电阻与两个二极管串联的I - V特性；在分类模式下，在16V时的电流消耗应约为40 mA，这由31.6Ω的RE22决定，将评估板设置为Class 4，即根据IEEE 802.3af“保留供未来使用”的高功率应用。如果在检测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，很可能是提供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JE5（3.3V）和JE6（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。最后检查效率是确认电路正常运行的最佳方法，满载时效率明显低于80%表示存在问题。

验证PoE正常运行后，用户可以施加AUX电源，建议施加AUX电源时遵循与施加PoE电源相同的预防措施。如果未观察到输出电压，很可能是AUX电源馈电极性反转。观察到成功运行后，即可开始进行全AUX功率测试。

PoE接口操作模式

签名检测

25 kΩ的PD签名电阻集成在LM5072 IC中，PD签名电容由100 nF的CE29实现。在AUX电源运行期间，CE29还通过为COM节点提供低阻抗路径来提高IC基板（与VEE引脚互连）的抗噪能力。需要注意的是，当首先施加AUX电源时，PSE将无法将PD识别为有效设备，因为AUX电压会导致电流转向二极管桥BR1和BR2在检测模式下反向偏置，从而阻止PSE施加功率，评估板将仅从AUX源汲取电流。

分类

PD分类通过RE22实现，评估板通过在RE22处安装31.6Ω的电阻预设为Class 4，表明评估板的功耗超过了IEEE 802.3af的12.95W限制。

输入UVLO和UVLO滞后

输入欠压锁定（UVLO）是LM5072的集成功能，UVLO释放阈值设置为约38.5V（在IC引脚处），UVLO滞后约为7V。

浪涌和直流电流限制编程

LM5072允许用户独立编程内部热插拔MOSFET的浪涌和直流电流限制。评估板通过不安装RE19将浪涌限制设置为默认的150 mA，通过在RE23处安装15.8 kΩ的电阻将直流电流限制设置为800 mA。若要调整浪涌和直流电流限制，可根据LM5072 Integrated 100V Pwr Over Ethernet PD Interface & PWM Cntrl w/Aux Support Data Sheet（SNVS437）的建议，分别为RE19和RE23使用合适的电阻。

辅助电源选项

在这款评估板中，AUX电源配置为AUX主导模式。在AUX主导期间，无论PoE电源是否存在，AUX电源源将始终为PD提供电流。需要注意的是，辅助非主导并不意味着PoE主导，要实现PoE主导，必须采用额外的电路。由于AUX输入绕过了LM5072的输入热插拔电路，评估板使用八个8.06Ω的电阻（RE1A至RE1D和RE2A至RE2D）并联，以实现低成本的AUX浪涌限制器和瞬态保护。否则，无限制的浪涌电流会损坏板上走线、连接器触点和各种板组件，并产生破坏性的瞬态电压。然而，这八个电阻会在AUX电源模式下导致功率损耗，并且会降低LM5072的VIN引脚感测到的有效AUX输入电压水平。通过采用双极晶体管或MOSFET的额外电路，可以实现更高效且性能更好的AUX浪涌限制器。如果在新设计中不使用AUX电源选项，可以删除CE3、DE1、八个电阻RE1A至RE1D和RE2A至RE2D、RE13、RE29和P1，以降低BOM成本。

AUX输入“或”二极管选择

该二极管不需要是高速类型，因为在运行期间没有开关动作，但它应该是低反向泄漏电流的设备。评估板上采用了24.9 kΩ的电阻RE29，为DE1的泄漏电流提供了一个吸收路径，旨在吸收DE1的所有泄漏电流并防止RAUX引脚出现错误逻辑状态。有关DE1和RE29的选择详情，请参考LM5072 Integrated 100V Pwr Over Ethernet PD Interface & PWM Cntrl w/Aux Support Data Sheet（SNVS437）。

反激式转换器拓扑

评估板的dc - dc转换器阶段采用了反激式拓扑，该拓扑使用最少数量的功率组件以最低成本实现隔离电源。一般来说，反激式拓扑最适合功率水平低于50W的应用，当功率水平较高时，正激、推挽和桥式拓扑将是合适的选择。反激式拓扑的功率变压器具有独特的特性，与普通功率变压器同时将功率从初级传输到次级不同，反激式变压器在主开关导通时首先将能量存储在变压器内部，然后在周期的其余时间将存储的能量释放到负载。当存储的能量在主开关再次导通之前未完全释放时，反激式转换器处于连续导通模式（CCM）；否则，处于不连续导通模式（DCM）。CCM相对于DCM的主要优点包括：较低的纹波电流和纹波电压，从而减小输入和输出滤波电容；较低的RMS电流，从而降低传导损耗。为了在轻负载下使反激式转换器保持在CCM，变压器的初级电感应设计得尽可能大。与DCM相比，CCM的主要缺点包括：存在右半平面零点，可能会限制反馈回路的可实现带宽；在占空比大于50%时需要斜率补偿来稳定反馈回路。反激式拓扑可以有多个次级绕组以提供多个隔离输出，其中一个或多个次级通道通常由转换器本身内部使用，为控制器提供必要的偏置电压。变压器使用EFD20型磁芯，初级电感为45 µH。转换器在整个输入电压范围内的满载下以CCM运行，但在轻负载下将以DCM运行。LM5072内置的斜率补偿有助于在24V AUX电源运行中占空比超过50%时稳定反馈回路。额外的变压器绕组用于为LM5072 IC提供偏置电压（VCC）。虽然LM5072控制器包括一个内部启动稳压器，可以无限期支持偏置要求，但变压器绕组产生的输出比启动稳压器输出高约2V，从而关闭启动稳压器并降低IC内部的功耗。鉴于高压启动稳压器的低电流限制值（标称15 mA），VCC线不打算为总外部负载提供超过3 mA的电流，VCC线的外部负载是指示PoE运行模式的“PoE Power” LED。

限制最小工作输入电压的因素

LM5072支持低至9V的AUX电源运行，但受反激式功率变压器设计的限制，评估板的最小AUX电压为22V（RE1A等和DE1引起的电压降将VIN引脚电位降低到约20V）。安装的EFD20型功率变压器FA2267 - AL是一种低成本、高效面积的解决方案，可在24V至57V的宽辅助输入电压范围内运行，但它不支持在较低输入电压下进行24W功率操作。在这些条件下，过大的磁通量可能会使变压器磁芯饱和。如果降低输出功率水平，可以使用较低电压的AUX源运行。如果在低AUX输入电压下需要全功率，则需要重新设计功率变压器。

PoE性能特性

PoE输入上电序列

PoE上电序列如下：

1. 电路首先进入检测模式。
2. 根据所使用的PSE，电路可能会或可能不会经过分类模式。
3. PSE进入全功率应用模式。在PoE输入电压达到UVLO阈值之前，热插拔MOSFET处于关断状态，因此电源非隔离部分的所有节点保持高电位。热插拔MOSFET两端的电压，即RTN和VEE引脚之间的电压，将大约等于VIN和VEE引脚之间的PoE输入电压。
4. 当PoE输入上电期间UVLO释放时，随着输入电流对输入电容充电，内部热插拔MOSFET的漏极逐渐下拉到VEE（IC引脚7）。
5. VCC稳压器在上电序列期间上电。在VCC稳压器启动期间，它会汲取约20mA的电流，但用户可能不会注意到。一旦IC的RTN引脚下降到低于1.5V（相对于VEE），并且热插拔MOSFET的栅极上升，通过将nPGOOD引脚拉低来断言电源良好。
6. 一旦断言电源良好，SS（软启动）引脚被释放。SS引脚将以等于SS电流源（通常为10 µA）除以SS引脚电容CE26的速率上升。
7. 软启动完成后，开关稳压器实现输出调节，转换器进入稳态运行。辅助绕组将VCC电压提高到约10.5V，从而关闭内部稳压器并提高效率