TPS23752EVM - 145評估模塊：高效PoE解決方案解析

在電子設計領域，PoE（Power over Ethernet）技術因其能通過以太網電纜同時傳輸數(shù)據和電力的特性，極大地簡化了設備的安裝和部署。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應用中能帶來怎樣的表現(xiàn)。

文件下載：TPS23752EVM-145.pdf

一、模塊概述

TPS23752EVM - 145是為評估TPS23752而設計的評估模塊。TPS23752是一款Type 2的PoE受電設備（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，特別針對寬負載范圍內的高效率應用進行了優(yōu)化。

1.1 功能特性

• 高效同步反激設計：采用同步整流禁用和可變頻率操作，增強了輕載運行效率。
• 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。
• 以太網接口：提供千兆以太網直通接口。
• 硬件分類：符合IEEE 802.3at Type - 2硬件分類，帶有次級側狀態(tài)標志（T2P）和LED指示。
• 內部MOSFET：擁有堅固的100V、0.5Ω內部熱插拔MOSFET。
• 輸出規(guī)格：輸出為5V、5A、25W直流。

1.2 應用場景

該模塊適用于多種IEEE 802.3at合規(guī)設備，如視頻和VoIP電話、多頻段接入點、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轉換器

• 輸出電壓：在21.6V ≤ Vin ≤ 57V，負載電流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轉換器效率為93%，端到端效率為90%。
• 開關頻率：PWM模式下的開關頻率為225 - 275kHz。

三、模塊描述

該評估模塊能夠對TPS23752設備進行全面評估。以太網電源從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電纜阻抗，對ESD和EMI/EMC性能至關重要。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。R5和R10為TPS23752的APD引腳提供閾值，當J3處的電壓高于約18V時，TPS23752內部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右側是PD控制器的開關側，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轉換器采用驅動同步、隔離反激拓撲，根據輸出負載情況在可變頻率（VFO）或脈沖寬度調制（PWM）模式下運行，以提高寬負載范圍的效率。初級（Q5）和次級（Q3）開關MOSFET由U5的GATE引腳驅動，Q6/D16/R32（初級）和T3/Q4/D18/R38（次級）分別提供MOSFET柵極驅動緩沖和相位調整。除了Q3，D17在轉換器處于VFO模式時提供次級側整流。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。

輸出電壓反饋由U7和相關誤差放大器（U8）電路提供。R46在測量轉換器的頻率響應時提供誤差注入手段。該反饋電路驅動U5的CTL引腳，提供與輸出負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設置）上的電壓進行比較來檢測所需的模式轉換點。當輸出負載減小時，CTL引腳電壓也會降低。當CTL越過轉換點（進入VFO模式）時，轉換器禁用Q3，允許D17進行整流。當輸出負載增加時，轉換器回到PWM模式，允許Q3進行整流。

四、通用配置與測試設置

4.1 物理訪問

該模塊的連接器、測試點和跳線具有特定的功能。

• 連接器：J1為PoE輸入，連接到電源供電設備（PSE）的電源和數(shù)據源；J2為以太網數(shù)據直通，連接到下游以太網設備；J5用于檢測S1是否被按下；J6用于使TPS23752進入睡眠模式；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，連接負載。
• 測試點：分布在模塊各處，用于監(jiān)測不同的信號，如數(shù)據對、電壓、電流等。
• 跳線：J4、J7、J11分別用于啟用WAKE、T2P和OUTPUT LED，在進行效率測量時，J7和J11的跳線可以移除。

4.2 測試設置

典型的測試設置是將J1連接到PSE，以太網設備的電源可從J10獲取，直通以太網數(shù)據可從J2獲取。

五、性能數(shù)據

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最佳實踐指南，部件放置應根據功率流以點對點的方式進行，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，要遵守安全標準，確保48V輸入電壓軌之間以及輸入與隔離轉換器輸出之間的間距。
• DC/DC轉換器布局：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、功率半導體和磁性組件的走線長度；盡可能使用垂直配對；謹慎使用接地平面來處理開關電流。

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、隱藏與開關節(jié)點相關的銅、對組件的安靜側進行散熱、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、部件編號和供應商等信息，為工程師進行設計和采購提供了準確的依據。

八、注意事項

在使用TPS23752EVM - 145評估模塊時，需要注意以下幾點：

• 該模塊僅用于實驗室/開發(fā)環(huán)境的初步可行性評估，不是成品電氣設備，不適合消費者使用。
• 用戶需對產品的安全和合規(guī)性負責，確保在使用過程中采取合理的安全措施。
• 操作時應在TI推薦的規(guī)格和環(huán)境條件下進行，避免超出額定值，以免造成財產損失、人身傷害或死亡。
• 對于安全關鍵或生命關鍵應用，需要與TI簽訂單獨的保證和賠償協(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。在實際設計中，工程師可以根據具體需求，結合模塊的特性和布局指南，進行合理的設計和優(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。