探索LM5071評估板：從入門到優(yōu)化

一、引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)正變得越來越重要。它能夠通過以太網(wǎng)電纜同時傳輸數(shù)據(jù)和電力，為設(shè)備的部署和管理帶來了極大的便利。LM5071評估板就是一款專為PoE應(yīng)用設(shè)計的低成本解決方案，它支持PoE和輔助（AUX）電源，能夠?yàn)槲覀兲峁┮粋€穩(wěn)定的電源供應(yīng)。今天，我們就來深入了解一下這款評估板。

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二、評估板特性

1. 輸出規(guī)格

• 單路隔離輸出：具備單路隔離的3.3V輸出，滿足許多設(shè)備對3.3V電源的需求。
• 雙路隔離輸出：支持雙路隔離的5V和3.3V輸出。這為需要不同電壓的設(shè)備提供了更多的選擇。
• 最大輸出電流：最大輸出電流可達(dá)3.3A，能夠滿足一定功率設(shè)備的供電需求。

2. 輸入電壓范圍

• 寬電壓范圍變壓器：PoE輸入電壓范圍為38 - 60V，AUX輸入電壓范圍為14 - 60V。
• 效率優(yōu)化變壓器：PoE輸入電壓范圍同樣為38 - 60V，但AUX輸入電壓范圍變?yōu)?4 - 60V。

3. 效率表現(xiàn)

• 寬電壓范圍變壓器：在3A負(fù)載下，DC - DC轉(zhuǎn)換器效率為81%，整體效率（包括二極管橋）為78.5%。
• 效率優(yōu)化變壓器：在3A負(fù)載下，DC - DC轉(zhuǎn)換器效率為84%，整體效率（包括二極管橋）為81.5%。

4. 其他特性

• 尺寸：評估板尺寸為2.75 × 2.00 × 0.66英寸，體積小巧，便于集成。
• 工作頻率：工作頻率為250 kHz。
• PoE輸入欠壓鎖定（UVLO）：編程的PoE輸入UVLO釋放電壓為39V標(biāo)稱值，UVLO遲滯為5.9V。

三、輸入電位說明

LM5071通常用于-48V系統(tǒng)的PoE應(yīng)用。為了便于閱讀，數(shù)據(jù)手冊采用正電壓約定。在使用測試電源測試評估板時，電源的負(fù)極相當(dāng)于PoE系統(tǒng)的-48V電位，正極相當(dāng)于PoE系統(tǒng)的地。在測試和使用過程中，我們要注意這種電位的對應(yīng)關(guān)系，避免混淆。

四、連接與測試方法

1. 連接端口

評估板有三個連接端口：RJ45插座用于PoE輸入，PJ102A電源插孔用于AUX輸入，3.3V輸出端口可通過J4和J5接線柱訪問。

2. 輸入連接

• PoE輸入：通過兩個二極管橋BR1和BR2將電流引導(dǎo)至LM5071的正負(fù)電源引腳。
• AUX輸入：AUX輸入電壓的高電位應(yīng)接入PJ102A插孔的中心引腳。

3. 輸出連接

負(fù)載可以是無源電阻或有源電子負(fù)載。連接電子負(fù)載時要注意輸出極性。不建議在輸出端口跨接總電容大于20 μF的額外濾波電容，除非相應(yīng)調(diào)整反饋環(huán)路補(bǔ)償。

4. 測試注意事項(xiàng)

• 連接電源和負(fù)載時，應(yīng)使用不小于AWG #18的足夠大的導(dǎo)線。
• 監(jiān)測被測單元的輸入和輸出電流，直接在板端子處監(jiān)測電壓，因?yàn)檫B接線上的電阻壓降可能會降低測量精度。
• 測量DC - DC轉(zhuǎn)換器效率時，應(yīng)在C4或C5兩端測量轉(zhuǎn)換器輸入電壓；測量評估板整體效率時，應(yīng)從評估板的端子讀取輸入和輸出電壓。

五、電源要求

1. PoE輸入

為了全面測試評估板，PoE輸入需要一個至少60V和1A的直流電源。

2. AUX輸入

AUX電源需要一個1.5A的直流電源。同時，要使用測試電源的過壓和過流限制功能，以保護(hù)評估板免受錯誤連接的損壞。

六、加載與電流限制行為

1. 負(fù)載選擇

電阻性負(fù)載是最佳選擇，但適用于低至2.0V操作的合適電子負(fù)載也是可以接受的。最大負(fù)載電流為3.3A，在低輸入電壓下超過此電流可能會導(dǎo)致振蕩行為，因?yàn)槠骷⑦M(jìn)入電流限制模式。

2. 電流限制觸發(fā)

當(dāng)通過PoE連接器的電流超過390mA（標(biāo)稱值）時，電流限制模式將被觸發(fā)。此時，開關(guān)穩(wěn)壓器會通過SS引腳對軟啟動電容C26放電而自動禁用。模塊將自動重試（打嗝），只要過流條件仍然存在，就會一直處于這種模式。

七、上電過程

1. PoE上電

建議先施加PoE電源。首次上電時，負(fù)載應(yīng)保持較低。在施加全功率之前，驗(yàn)證簽名和分類模式下的電源電流。

• 簽名模式：模塊應(yīng)具有25 kΩ電阻與兩個二極管串聯(lián)的I - V特性。
• 分類模式：當(dāng)RCLASS引腳懸空時，默認(rèn)設(shè)置為0類，在15V時電流消耗約為600 μA。

2. 輸出檢查

如果在簽名和分類模式下未觀察到正確的響應(yīng)，應(yīng)仔細(xì)檢查連接。如果沒有電流流動，很可能是PoE電源的導(dǎo)體組安裝不正確。一旦建立了正確的設(shè)置，就可以施加全功率。通過跨接輸出端子J4（+3.3V）和J5（3.3V RTN）的電壓表，可以直接測量3.3V輸出線。如果在幾秒鐘內(nèi)未觀察到3.3V輸出電壓，應(yīng)關(guān)閉電源并檢查連接。

3. 效率檢查

最后檢查效率是確認(rèn)設(shè)備正常運(yùn)行的最佳方法。滿載時效率明顯低于80%表明存在問題。

4. AUX上電

在驗(yàn)證PoE操作后，施加AUX電源。建議施加AUX電源時采取與PoE相同的預(yù)防措施。如果未觀察到輸出電壓，很可能是AUX電源饋電極性反轉(zhuǎn)。成功運(yùn)行后，即可開始全功率測試。

八、PD接口操作模式

1. 操作模式順序

連接到PoE系統(tǒng)時，評估板的受電設(shè)備（PD）接口將按順序經(jīng)歷以下操作模式：PD簽名檢測、功率級別分類（可選）和全功率應(yīng)用。

2. 簽名檢測

評估板上的PD簽名通過R13實(shí)現(xiàn)。使用26.1 kΩ的電阻R13可產(chǎn)生25.1kΩ的等效簽名阻抗，符合IEEE 803.2af規(guī)定的23.75 kΩ至26.25 kΩ的有效PD簽名范圍。需要注意的是，當(dāng)AUX電源存在時，PoE的供電設(shè)備（PSE）將無法將PD識別為有效設(shè)備，因?yàn)锳UX電壓會導(dǎo)致前端電流轉(zhuǎn)向二極管橋在檢測模式下反向偏置，從而阻止PSE供電，評估板僅從AUX源汲取電流。

3. 分類

九、輸入UVLO和UVLO遲滯

1. 編程設(shè)置

輸入UVLO閾值和UVLO遲滯可以通過選擇R5和R37獨(dú)立編程。UVLO釋放閾值主要由R37和R5的比值決定，公式為：$UVLO{release} = x 2V + 2 x VF (1 + frac{R5}{R37})$，其中VF是輸入電流轉(zhuǎn)向橋單個二極管的正向電壓降。UVLO遲滯由公式$UVLO{hysteresis} = 10μA × R5$確定。

2. 評估板設(shè)置

評估板使用33.2 kΩ的R37和590 kΩ的R5，將UVLO釋放閾值設(shè)置為約39V，UVLO遲滯設(shè)置為5.9V。C1用于過濾輸入電壓瞬變，防止輸入UVLO的錯誤激活或釋放。

十、AUX電源選項(xiàng)

1. 低電壓操作

對于AUX電源選項(xiàng)，與AUX引腳相連的電路迫使UVLO釋放，以便在低至10.5V的AUX電壓下運(yùn)行（LM5071 IC的VIN引腳看到9.5V）。當(dāng)AUX輸入低于14V時，需要安裝D2，它將繞過內(nèi)部啟動穩(wěn)壓器，直接為LM5071 IC提供偏置電壓以啟動。

2. 保護(hù)措施

當(dāng)開關(guān)電路建立穩(wěn)定運(yùn)行時，Vcc將由變壓器繞組提供高達(dá)16V的電壓。為防止該電壓通過反向饋電損壞內(nèi)部啟動穩(wěn)壓器，引入了D3來保護(hù)IC，繞過反向饋電路徑并鉗位VCC引腳。在評估板上，D3已經(jīng)安裝。但對于輸入電壓始終高于18V的應(yīng)用，可以移除D3以節(jié)省物料清單（BOM）成本。

3. 元件選擇

與輔助輸入串聯(lián)的小值電阻用于限制輔助電源的浪涌電流，應(yīng)根據(jù)設(shè)計約束盡可能選擇大的值。特別要注意D1、D2、D3、D4和Q3的選擇，它們都應(yīng)是低泄漏電流的器件，否則PoE操作期間的泄漏電流會在IC的AUX引腳產(chǎn)生虛假信號。評估板設(shè)計考慮這些器件的最大結(jié)溫為55°C，在該溫度下選擇合適的器件不會在AUX引腳產(chǎn)生虛假信號。

十一、反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/h2>

1. 拓?fù)涮攸c(diǎn)

評估板的DC - DC轉(zhuǎn)換器階段采用反激式拓?fù)洌褂米钌俚墓β式M件以最低的成本實(shí)現(xiàn)隔離電源。反激式變壓器的獨(dú)特之處在于，它在每個開關(guān)周期中，當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時先將能量存儲在變壓器磁芯中，然后在周期的其余時間將存儲的能量釋放到負(fù)載。如果在主開關(guān)再次導(dǎo)通之前存儲的能量沒有完全釋放，則反激式轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）；否則，工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。

2. CCM與DCM比較

• CCM優(yōu)點(diǎn)：具有較低的紋波電流和紋波電壓，需要較小的輸入和輸出濾波電容；較低的均方根電流，從而降低傳導(dǎo)損耗。
• CCM缺點(diǎn)：存在右半平面零點(diǎn)，可能限制反饋環(huán)路的可實(shí)現(xiàn)帶寬；在占空比大于50%時需要斜率補(bǔ)償來穩(wěn)定反饋環(huán)路。

3. 評估板應(yīng)用

評估板使用初級電感為32 μH的小功率變壓器，這是為了使小變壓器能夠在14V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。在輸入電壓低于42V的滿載情況下，反激式轉(zhuǎn)換器工作在CCM；在較高輸入電壓或輕載時工作在DCM。LM5071內(nèi)置的斜率補(bǔ)償有助于在低輸入電壓范圍占空比超過50%時穩(wěn)定反饋環(huán)路。變壓器繞組用于為LM5071 IC提供偏置電壓（VCC），其產(chǎn)生的VCC比內(nèi)部啟動穩(wěn)壓器輸出高約2V，從而關(guān)閉啟動穩(wěn)壓器，降低IC內(nèi)部的功耗。

十二、限制最小工作輸入電壓的因素

1. 變壓器設(shè)計

安裝的EP13型電源變壓器（DA2257 - AL或DCT13EP - U12S005）是一種低成本解決方案，可在較寬的AUX輸入電壓范圍內(nèi)工作。但EP13磁芯的小橫截面積限制了其能處理的最大磁通量。為了在14V至60V的滿載條件下使用這種小變壓器，必須在最小工作輸入電壓和變壓器的最大電感之間進(jìn)行折衷，以確保14V輸入時的峰值電流不會使峰值磁通密度超過3000 Gauss。這種低成本解決方案的缺點(diǎn)是會增加DC - DC轉(zhuǎn)換器階段的均方根電流，并使DC - DC轉(zhuǎn)換器的效率降低約3%。

2. 電流檢測電阻

電流檢測電阻R14和R15也會限制最小AUX輸入工作電壓。LM5071的內(nèi)部斜率補(bǔ)償在輸入電壓低于22V且占空比超過50%時穩(wěn)定DC - DC轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路，但斜率補(bǔ)償?shù)南鄬Υ笮∨cR14和R15的值成反比。R14和R15的最大值由公式$frac{f{SW} x Lm}{kt x (V{O} + V{F})} geq frac{R14 x R15}{1.8 x D{max}} geq frac{R14 + R15}{2 x D_{max} - 1}$確定。選擇0.30Ω的R14和R15可以允許最小工作電壓為14V。對于更低的AUX輸入電壓，Dmax增大，因此R14和R15必須相應(yīng)減小，但較小的電阻會增加斜率補(bǔ)償，使反饋環(huán)路更像電壓模式，需要使用低ESR電容C16。

十三、性能特性

1. 上電順序

LM5071的高度集成設(shè)計使得所有電源排序通信都在IC內(nèi)進(jìn)行，用戶幾乎不需要進(jìn)行系統(tǒng)管理設(shè)計。上電順序如下：

• 上電前，電源非隔離部分的所有節(jié)點(diǎn)保持高電位，直到UVLO釋放，內(nèi)部熱插拔MOSFET的漏極被拉低至VEE。
• 當(dāng)IC的RTN引腳降至1.5V以下（相對于VEE）時，VCC穩(wěn)壓器釋放并開始啟動，這標(biāo)志著內(nèi)部“電源良好”信號的斷言。VCC穩(wěn)壓器以其電流限制（通常為20 mA）除以VCC負(fù)載電容C19的速率上升。
• 當(dāng)VCC穩(wěn)壓器達(dá)到最小調(diào)節(jié)值（相對于RTN約7.6V）時，軟啟動引腳釋放，軟啟動引腳以軟啟動電流源（通常為10μA）除以軟啟動引腳電容C26的速率上升。
• 當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器達(dá)到調(diào)節(jié)狀態(tài)時，輔助繞組將VCC電壓提升至約10V，從而關(guān)閉內(nèi)部穩(wěn)壓器并提高效率。

2. 輸出短路故障響應(yīng)

評估板在輸出短路情況下會進(jìn)入重試模式（打嗝）。將+3.3V線路短路會依次觸發(fā)一系列保護(hù)機(jī)制：

• 反饋增加占空比以試圖維持輸出電壓，這會啟動逐周期過流限制，當(dāng)電流檢測（CS）引腳超過電流限制閾值時，主開關(guān)關(guān)閉。
• 內(nèi)部PD接口MOSFET的平均電流上升，直到在約390 mA處被限流。由于電流限制放大器需要時間來響應(yīng)并改變MOSFET的工作模式，會觀察到電流有一些過沖。
• 由于線性電流限制是通過將MOSFET驅(qū)動到飽和區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的，漏極電壓（RTN引腳）上升。當(dāng)相對于VEE達(dá)到2.5V時，內(nèi)部電源良好信號被解除斷言。
• 電源良好信號的解除斷言導(dǎo)致軟啟動電容放電，從而禁用DC - DC轉(zhuǎn)換器中的所有開關(guān)動作。
• 一旦開關(guān)停止，內(nèi)部MOSFET中的電流將減小，漏極電壓將相對于VEE降至1.5V以下。當(dāng)電源良好信號重新斷言時，DC - DC轉(zhuǎn)換器將自動以新的軟啟動序列重啟。

3. 階躍響應(yīng)

在VIN = 48V時，評估板的階躍負(fù)載響應(yīng)表現(xiàn)出一定的特性，通過相應(yīng)的波形圖可以觀察到輸出電壓和電流的變化情況。

4. 紋波電壓/電流

在48V輸入電壓和3.3A輸出時，評估板的輸出紋波電壓和輸入紋波電流也有特定的表現(xiàn)，通過波形圖可以直觀地看到這些參數(shù)。

5. 反激式變壓器波形

在48V輸入電壓和3.3A輸出時，主開關(guān)Q1的漏源電壓和整流二極管D5的反向電壓的典型波形可以幫助我們了解反激式變壓器的工作情況。

十四、評估板的重新配置

1. 3.3V和5V雙輸出重新配置

標(biāo)準(zhǔn)評估電路可以輕松重新配置為2A 3.3V和0.6A 5.5V的雙輸出電源。重新配置需要安裝用于5.5V輸出軌的組件。

2. 非隔離輸出應(yīng)用重新配置

對于不需要輸出隔離的應(yīng)用，可以使用評估板的非隔離版本以降低BOM成本。重新配置電路板為非隔離版本可以通過以下四個步驟完成：

• 刪除電路板和BOM中未使用的部件：C20、C22、C25、C28、R7、R11、R16、R17、R24、U2和U3。
• 使用AWG 26的母線連接測試點(diǎn)P5和P6。
• 通過安裝R2010尺寸的0Ω電阻或焊接一段AWG 2