TPS23752EVM - 145評估模塊：高效PoE解決方案解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，PoE（Power over Ethernet）技術(shù)因其能通過以太網(wǎng)電纜同時傳輸數(shù)據(jù)和電力的特性，極大地簡化了設(shè)備的安裝和部署。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的TPS23752EVM - 145評估模塊，看看它在PoE應(yīng)用中能帶來怎樣的表現(xiàn)。

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一、模塊概述

TPS23752EVM - 145是為評估TPS23752而設(shè)計(jì)的評估模塊。TPS23752是一款Type 2的PoE受電設(shè)備（PD）控制器，同時集成了具有睡眠模式的電流模式DC/DC控制器，特別針對寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

1.1 功能特性

• 高效同步反激設(shè)計(jì)：采用同步整流禁用和可變頻率操作，增強(qiáng)了輕載運(yùn)行效率。
• 睡眠模式能力：支持PSE DC和脈沖MPS簽名、喚醒功能以及狀態(tài)LED指示。
• 多輸入支持：具備24V和48V適配器輸入能力。
• 以太網(wǎng)接口：提供千兆以太網(wǎng)直通接口。
• 硬件分類：符合IEEE 802.3at Type - 2硬件分類，帶有次級側(cè)狀態(tài)標(biāo)志（T2P）和LED指示。
• 內(nèi)部MOSFET：擁有堅(jiān)固的100V、0.5Ω內(nèi)部熱插拔MOSFET。
• 輸出規(guī)格：輸出為5V、5A、25W直流。

1.2 應(yīng)用場景

該模塊適用于多種IEEE 802.3at合規(guī)設(shè)備，如視頻和VoIP電話、多頻段接入點(diǎn)、安全攝像頭以及Pico基站等。

二、電氣規(guī)格

TPS23752EVM - 145的電氣規(guī)格涵蓋了電源接口和DC/DC轉(zhuǎn)換器兩方面。

2.1 電源接口

• 輸入電壓：連接器J1或J3的電源引腳輸入電壓范圍為0 - 57V。
• 欠壓鎖定（UVLO）：PoE輸入J1的上升輸入電壓為40V，下降輸入電壓為30V；適配器J3的上升輸入電壓為18.7V。
• 檢測電壓和分類電壓：設(shè)備端子處的檢測電壓為1.4 - 10.1V，分類電壓為11.9 - 23.0V。
• 電流限制：浪涌電流限制為100 - 180mA，工作電流限制為850 - 1200mA。

2.2 DC/DC轉(zhuǎn)換器

• 輸出電壓：在21.6V ≤ Vin ≤ 57V，負(fù)載電流ILOAD ≤ ILOAD（max）的條件下，5V輸出電壓范圍為4.85 - 5.15V。
• 輸出電流：在21.6V ≤ Vin ≤ 57V時，5V輸出電流為5.0A。
• 輸出紋波電壓：當(dāng)Vin = 44V，ILOAD = 5A時，5V輸出的峰 - 峰紋波電壓為30mV。
• 效率：在Vin = 54V，ILOAD = 5A時，DC/DC轉(zhuǎn)換器效率為93%，端到端效率為90%。
• 開關(guān)頻率：PWM模式下的開關(guān)頻率為225 - 275kHz。

三、模塊描述

該評估模塊能夠?qū)PS23752設(shè)備進(jìn)行全面評估。以太網(wǎng)電源從J1施加到T1，再通過T1中心抽頭連接到二極管橋（D1/D2/D7/D8或D3/D4/D9/D10）。每個中心抽頭的串聯(lián)R - C電路有助于平衡以太網(wǎng)電纜阻抗，對ESD和EMI/EMC性能至關(guān)重要。這些電路通過高壓電容器C10在TP7（EGND）處終止。

輸入電源也可以從J3的直流電源提供，該連接器處提供了EMI/EMC濾波，二極管D5提供反向電壓保護(hù)。R5和R10為TPS23752的APD引腳提供閾值，當(dāng)J3處的電壓高于約18V時，TPS23752內(nèi)部MOSFET將被禁用，確保適配器優(yōu)先于PSE源。

在PoE二極管橋下方有四個光隔離電路，U1、U2、U3及其相關(guān)電路支持TPS23752的睡眠或低功耗模式。U4電路用于指示適配器或Type 2 PoE源是否存在。

TPS23752（U5）的PD和DC/DC轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。R23提供檢測簽名，R26提供分類（Class 4）簽名。U5右側(cè)是PD控制器的開關(guān)側(cè)，TPS23752的RTN引腳提供浪涌限制的開啟和大容量電容器C16的充電功能。在浪涌期間，TPS23752的DC/DC控制器將被禁用。

DC/DC轉(zhuǎn)換器采用驅(qū)動同步、隔離反激拓?fù)?，根?jù)輸出負(fù)載情況在可變頻率（VFO）或脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式下運(yùn)行，以提高寬負(fù)載范圍的效率。初級（Q5）和次級（Q3）開關(guān)MOSFET由U5的GATE引腳驅(qū)動，Q6/D16/R32（初級）和T3/Q4/D18/R38（次級）分別提供MOSFET柵極驅(qū)動緩沖和相位調(diào)整。除了Q3，D17在轉(zhuǎn)換器處于VFO模式時提供次級側(cè)整流。R25/D15/C27/C29為U5的DC/DC控制器提供12V輔助輸出，D13/R22/C19為Q5提供峰值電壓鉗位保護(hù)。

輸出電壓反饋由U7和相關(guān)誤差放大器（U8）電路提供。R46在測量轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)時提供誤差注入手段。該反饋電路驅(qū)動U5的CTL引腳，提供與輸出負(fù)載電流成比例的電壓。CTL引腳的電壓還可以通過與SRT引腳（由R31和R35設(shè)置）上的電壓進(jìn)行比較來檢測所需的模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)。當(dāng)輸出負(fù)載減小時，CTL引腳電壓也會降低。當(dāng)CTL越過轉(zhuǎn)換點(diǎn)（進(jìn)入VFO模式）時，轉(zhuǎn)換器禁用Q3，允許D17進(jìn)行整流。當(dāng)輸出負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)換器回到PWM模式，允許Q3進(jìn)行整流。

四、通用配置與測試設(shè)置

4.1 物理訪問

該模塊的連接器、測試點(diǎn)和跳線具有特定的功能。

• 連接器：J1為PoE輸入，連接到電源供電設(shè)備（PSE）的電源和數(shù)據(jù)源；J2為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)直通，連接到下游以太網(wǎng)設(shè)備；J5用于檢測S1是否被按下；J6用于使TPS23752進(jìn)入睡眠模式；J8用于選擇脈沖或DC MPS；J9用于指示Type 2 PSE或適配器是否存在；J10為輸出連接器，連接負(fù)載。
• 測試點(diǎn)：分布在模塊各處，用于監(jiān)測不同的信號，如數(shù)據(jù)對、電壓、電流等。
• 跳線：J4、J7、J11分別用于啟用WAKE、T2P和OUTPUT LED，在進(jìn)行效率測量時，J7和J11的跳線可以移除。

4.2 測試設(shè)置

典型的測試設(shè)置是將J1連接到PSE，以太網(wǎng)設(shè)備的電源可從J10獲取，直通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)可從J2獲取。

五、性能數(shù)據(jù)

5.1 效率

通過圖4、圖5和圖6可以直觀地看到該評估模塊的效率表現(xiàn)。圖4測量的是J1輸入接口和J10輸出連接器之間的端到端效率；圖5和圖6測量的是TP5/TP6和J10之間的效率，排除了二極管橋和以太網(wǎng)變壓器的損耗。圖6展示了VFO模式在輕載時的效率提升。

六、組裝圖紙與布局指南

6.1 PCB圖紙

圖7 - 圖12展示了組件的放置和布局，包括頂層放置、頂層布線、第二層布線、第三層布線、底層布線和底層放置等。

6.2 布局指南

• PoE前端布局：遵循電源和EMI/ESD最佳實(shí)踐指南，部件放置應(yīng)根據(jù)功率流以點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行，確保所有引線盡可能短，使用寬功率走線和成對的信號與返回線，避免信號交叉。同時，要遵守安全標(biāo)準(zhǔn)，確保48V輸入電壓軌之間以及輸入與隔離轉(zhuǎn)換器輸出之間的間距。
• DC/DC轉(zhuǎn)換器布局：采用信號配對，減少發(fā)射和噪聲，特別是對于承載高電流脈沖的路徑；最小化高電流、功率半導(dǎo)體和磁性組件的走線長度；盡可能使用垂直配對；謹(jǐn)慎使用接地平面來處理開關(guān)電流。

6.3 EMI抑制

為了抑制電磁干擾，需要采取一系列措施，如使用緊湊的環(huán)路、最小化與輸入走線相關(guān)的銅面積、使用銅接地平面和頂層銅填充、使用4層PCB、隱藏與開關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的銅、對組件的安靜側(cè)進(jìn)行散熱、使用Bob Smith終端和LC濾波器等。

七、物料清單

該評估模塊的物料清單詳細(xì)列出了各種組件的數(shù)量、參考編號、值、描述、尺寸、部件編號和供應(yīng)商等信息，為工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和采購提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

八、注意事項(xiàng)

在使用TPS23752EVM - 145評估模塊時，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 該模塊僅用于實(shí)驗(yàn)室/開發(fā)環(huán)境的初步可行性評估，不是成品電氣設(shè)備，不適合消費(fèi)者使用。
• 用戶需對產(chǎn)品的安全和合規(guī)性負(fù)責(zé)，確保在使用過程中采取合理的安全措施。
• 操作時應(yīng)在TI推薦的規(guī)格和環(huán)境條件下進(jìn)行，避免超出額定值，以免造成財(cái)產(chǎn)損失、人身傷害或死亡。
• 對于安全關(guān)鍵或生命關(guān)鍵應(yīng)用，需要與TI簽訂單獨(dú)的保證和賠償協(xié)議。

通過對TPS23752EVM - 145評估模塊的深入了解，我們可以看到它在PoE應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢，為電子工程師提供了一個高效、可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體需求，結(jié)合模塊的特性和布局指南，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。大家在使用該模塊的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。