+12V Power-Over-Ethernet應用套件硬件解析

一、概述

本次為大家介紹Digi公司的+12V Power-Over-Ethernet（PoE）應用套件。該套件以National LM5070設備為基礎，為PoE受電設備（PD）側提供了參考設計。POE_12V_JS板是一個額外的電源模塊，可插入Digi JumpStart開發(fā)板，為其提供+12V電源。

文件下載：DG-ACC-POE.pdf

1.1 PoE簡介

以太網正逐漸成為網絡計算機以外的外圍設備的標準通信接口。在PoE環(huán)境中，以太網不僅能在計算機和設備之間傳輸數據，還能提供電力，使連接的PoE設備無需單獨的電源。PoE已成為行業(yè)標準，由IEEE 802.3af覆蓋，該標準允許通過以太網電纜的數據傳輸對或備用對供電。PoE系統分為供電端（PSE）和受電端（PD）。系統會通過檢測方案來確定目的地是否連接了PD，避免向非PoE系統供電。檢測到PD后，還需進行功率分類階段，使PSE的供電能力與PD的功耗相匹配。確定有效分類并匹配后，PSE會在供電線上施加標稱48V直流電，PD則將功率調節(jié)到自身所需水平。大家在實際應用中，要注意功率匹配這一步驟，避免出現供電不足或過剩的情況。

二、詳細描述

2.1 POE_12V_JS_0

POE_12V_JS應用套件旨在提供符合IEEE802.3af標準的PoE 12V電源，基于National Semiconductor LM5070設備。LM5070是用于PoE系統中受電設備（PD）的電源接口端口和脈沖寬度調制（PWM）控制器，可實現功率檢測、電平分類和終端系統的功率調節(jié)。其具體信息和功能描述可參考數據手冊。該應用套件的一般性能特點如下：

• 完全符合802.3af電源接口端口標準。
• 完全隔離的+12V輸出。
• 輸入范圍：32至57V。
• 輸出電流：0至1A。
• 輸出頻率：20KHz。

2.1.1 機械結構

該模塊通過兩個單排、直角、SMD、RM2.54連接器連接到JumpStart套件。第一個（P1）是四針連接器，用于接入來自以太網接口的PoE信號；第二個（P2）是六針連接器，用于提供PoE模塊的輸出電源。模塊與開發(fā)板呈直角。POE_12V_JS板的尺寸為65.88 x 25 mm。

2.1.2 反激變壓器

反激變壓器是一種耦合電感器，在單個帶氣隙的磁芯上纏繞多個繞組。為簡化起見，將第一個驅動繞組稱為初級繞組，主輸出繞組稱為次級繞組。反激轉換器通過在初級繞組上施加電壓來存儲電感能量，類似于升壓轉換器。當初級電壓關閉后，電感器的第二個耦合繞組（次級）將能量傳輸到次級側整流器。在PoE應用套件中，LM5070直接驅動MOSFET開關，在初級繞組上施加電壓。開關關閉時，次級繞組向輸出整流器施加正向電流，并對輸出電容器充電。大家在設計電路時，要注意反激變壓器的參數選擇和繞組連接方式，以確保能量的有效傳輸。

2.1.3 電流限制/電流檢測

LM5070提供逐周期過流保護功能。電流限制通過內部電流檢測比較器實現。如果電流檢測比較器輸入CS相對于RTN/ARTN的電壓超過0.5V，輸出脈沖將立即終止。建議在控制器的CS引腳附近設置一個小的RC濾波器，以過濾電流檢測信號中的噪聲，因為LM5070的電流檢測和PWM比較器速度非?？?，可能會對短持續(xù)時間的噪聲脈沖做出響應。PoE應用套件有一個0.33R的檢測電阻，將12V信號的輸出電流限制在1.5A。

2.1.4 工作頻率

通過在RT和ARTN引腳之間連接一個外部電阻來設置LM5070的振蕩器頻率。在LM5070 - 50中，內部振蕩器的工作頻率是輸出（OUT）頻率的兩倍。要設置所需的輸出工作頻率，可以通過公式[R T=frac{1}{F × 330 × 10^{-12}}]計算RT電阻。在PoE應用套件中，RT電阻為15KΩ，因此輸出工作頻率設置為20KHz。

2.1.5 誤差放大器

LM5070內部提供一個高增益誤差放大器。放大器的同相參考設置為固定參考電壓1.25V，反相輸入連接到FB引腳。在PoE應用套件中，誤差放大器功能在轉換器的次級側實現，內部誤差放大器未使用。內部誤差放大器配置為開漏輸出，可通過將FB引腳連接到ARTN來禁用。在隔離應用中，5V參考和COMP之間的內部5K上拉電阻可作為光耦合器的上拉電阻。

2.2 PoE模塊使用

POE_12V_JS應用套件提供+12V電源電壓。這個+12V_POE電源輸出通過一個二極管直接連接到JumpStart套件板的電源開關，因此我們可以復用Jump Start電源控制器，該控制器從9 - 30V的輸入電源（在我們的案例中是+12V_POE）提供+5V（以及+/-12V）。POE模塊插入Jump Start開發(fā)板后即可直接使用，此時該模塊取代了輸入電源插頭，提供所有內部電源。

三、連接器引腳定義

3.1 連接器P1

3.2 連接器P2

四、國家半導體的應用筆記

• 應用筆記1358：LM5070 "AE"評估板，鏈接：http://www.national.com/an/AN/AN - 1358.pdf
• LM5070參考設計 - 隔離式以太網供電（POE）調節(jié)器，低成本、高效5V 7W輸出，鏈接：http://www.national.com/rd/PAhtml/PADC_POE_5V_7W_ISO.html

在實際的電子設計中，大家可以參考這些應用筆記，進一步優(yōu)化設計方案。希望本次對+12V Power-Over-Ethernet應用套件的介紹能對大家有所幫助，如果你在設計過程中有任何疑問，歡迎在評論區(qū)留言交流。