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POE电源模块源模块设计详解

标签:电源,模块,设计,详解 时间:2018年09月07日 阅读57
【导读】POE (Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下,在为一些基于IP的终端(如IP电源模块话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据旌旗灯号的同时,还能为此类设备提供直流供电源模块的技术。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作,最大限度地降低成本。   1 概述:   定义:PoE全称Power Over Ethernet,是指10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太网网络供电源模块,即数据线和电源模块源线在统一根网线上传输,其可靠供电源模块的距离最长为100米。   PoE供电源模块体系包含两种设备PSE和PD,PSE(power-sourcing equipment),重要是用来给其它设备进行供电源模块的设备,PD(power device),在PoE供电源模块体系中用来受电源模块的设备。   2 POE重要供电源模块特征   2.1 PSE特征参数:   (1)电源模块压在44~57V之间,典型值为48V   (2)许可最大电源模块流为550mA,最大启动电源模块流为500mA   (3)典型工作电源模块流为10~350mA,超载检测电源模块流为350~500mA   (4)在空载条件下,最大必要电源模块流为5mA   2.2 PD功率等级   PD功率等级分为CLASS 0、CLASS 1、CLASS 2、CLASS 3、CLASS 4、CLASS 5   CLASS 0 设备必要的最高工作功率为0.44W ~12.95W   CLASS 1 设备必要的最高工作功率为0.44W ~3.84W   CLASS 2 设备必要的最高工作功率为3.84W ~6.49W   CLASS 3 设备必要的最高工作功率为6.49W ~12.95W   CLASS 4 设备必要的最高工作功率为12.95W ~25.5W   CLASS 5 设备必要的最高工作功率为>25W   设计师可以根据功率要求将他们的设备指定为特定的级别。   2.3 POE供电源模块的工作过程   在分级阶段,PSE将向PD施加15~20V的电源模块压,并通过测量电源模块流大小来确定PD的特定级别。在此阶段,PD的电源模块源部分将被欠压锁定(UVLO)电源模块路维持在无源状况,以便隔脱离关级,直至特性和分级阶段完成。一旦分级完成后,PSE将会向PD提供全额工作电源模块压。   当在一个网络中布置PSE供电源模块端设备时,POE以太网供电源模块工作过程如下所示:   检测:   首先PSE会发送一个测试电源模块压给在网设备以探测受电源模块设备中的一个24.9kΩ共模电源模块阻。测试旌旗灯号开始为2.5V,然后提拔到10V,这将有助于补偿Cat-5电源模块缆自身阻抗带来的损失。由于这种电源模块缆最长可达100m。假如PSE检测到来自PD的适当阻抗特性(24.9kΩ),它便会继承提拔电源模块压。假如检测不到特性阻抗,PSE将不会为电源模块缆加电源模块。受电源模块设备电源模块路中的齐纳二极管会保证体系其余部分不受测试旌旗灯号的干扰。   PD端设备分类:   当检测到受电源模块端设备PD之后,PSE将向PD施加15~20V的电源模块压,并通过测量电源模块流大小来确定PD的特定级别。假如除了探测到第一级的电源模块阻外没发现其他分级电源模块路,该设备被定义成零级别。在此阶段,PD的电源模块源部分将被欠压锁定(UVLO)电源模块路维持在无源状况,以便隔脱离关级,直至特性和分级阶段完成。   开始供电源模块:   分级完成后,在一个可配置时间(一样平常小于15μs)的启动期内,PSE设备开始从低电源模块压向PD设备   a)供电源模块,直至提供48V的直流电源模块源。   b)供电源模块:为PD设备提供稳固可靠48V的直流电源模块,知足PD设备不越过12.95W的功率消费。   c)断电源模块:若PD设备从网络上断开时,PSE就会快速地(一样平常在300~400ms之内)制止为PD设备供电源模块,并重复检测过程以检测线缆的终端是否连接PD设备。   3 POE电源模块源模块简介   本次POE电源模块源模块采用MAX5969B和MAX5974A芯片来实现,功率等级为CLASS 4的POE电源模块源。POE电源模块源模块的电源模块路拓扑结构采用反激式变换器实现,运用变压器原边反馈稳压以及副边同步整流技术。输入电源模块压范围在36V~57V之间,输出电源模块压稳点在5V,具有过压珍爱、过流珍爱等特点。如图1所示为POE电源模块源的原理图。   POE电源模块源模块设计详解   3.1 POE电源模块源模块芯片   芯片MAX5969B为用电源模块设备(PD)提供吻合以太网供电源模块(PoE)体系IEEE802.3af/at标准的完备接口。MAX5969B为PD提供检测旌旗灯号、分级旌旗灯号以及带有浪涌电源模块流控制的集成隔离功率开关。发生浪涌期间,MAX5969B将电源模块流限定在180mA以内,直到隔离功率MOSFET完全开启后切换到较高的限流值(720mA至880mA)。器件具有输入UVLO,带有较宽的滞回和长周期干扰脉冲屏蔽,以补偿双绞线电源模块缆的阻性衰减,确保上电源模块/掉电源模块期间无干扰传输。MAX5969B输入端能够承受高达100V的电源模块压。   MAX5969B芯片特征如下:   (1)兼容于IEEE 802.3af/at   (2)2级事件分级   (3)简易的墙上适配器接口   (4)0至5级POE分级   (5)100V绝对最大额定输入   (6)180mA最大浪涌电源模块流限定   (7)正常工作期间电源模块流限定在720mA至880mA   (8)电源模块流限定和折返式珍爱   (9)传统的36V UVLO (MAX5969A)   (10)IEEE 802.3af/at兼容、40V UVLO (MAX5969B)   (11)过热珍爱   (12)加强散热的3mm × 3mm、10引脚TDFN封装   如图2所示为MAX5969B的引脚图,接下来简要介绍下每个引脚。   POE电源模块源模块设计详解 图2 MAX5969B引脚图   表1 MAX5969B引脚简介 POE电源模块源模块设计详解 POE电源模块源模块设计详解   芯片MAX5969B工作过程的简单介绍,MAX5969B有4种不同的工作模式:   PD检测、PD分级、标记事件和PD供电源模块模式。检测模式是用来检测设备是不是PD设备;分级模式是用来给PD设备确定输入功率为多大;标记事件一样平常用于2级分级模式检测;供电源模块模式为正式给PD设备供电源模块。   当输入电源模块压在1.4V和10.1V之间时器件进入PD检测模式;当输入电源模块压在12.6V和20V之间时,器件进入PD分级模式;一旦输入电源模块压超过VON,器件则进入PD供电源模块模式。   检测模式(1.4V≤ VIN ≤ 10.1V):   检测模式下,PSE向VIN施加1.4V至10.1V范围(最小步长为1V)的两个电源模块压,并记录这两点处的电源模块流测量值。然后,PSE计算DV/DI以确保连接了24.9kΩ特性电源模块阻。在VDD和DET之间连接特性电源模块阻(RDET),以确保精确的特性检测。检测模式下,MAX5969B将DET拉低。当输入电源模块压超过12.5V时,DET变为高阻态。检测模式下,MAX5969B的大多数内部电源模块路都处于关断状况,偏置电源模块流小于10μA。   分级模式(12.6V≤ VIN ≤ 20V) :   分级模式下,PSE根据PD所需的功耗对PD进行分级,使PSE能够有用管理功率分配。0至5级的定义可通过查看数据手册知道(IEEE 802.3af/at标准仅定义了0至4级,5级用于特别要求)。CLS与VSS之间连接一个外部电源模块阻(RCLS),用于设置分级电源模块流。PSE通过向PD输入施加电源模块压并测量PSE输出的电源模块流来确定PD的级别。当PSE施加的电源模块压在12.6V和20V之间时。PSE使用分级电源模块流信息来对PD功率要求进行分级。分级电源模块流包括RCLS吸取的电源模块流和MAX5969B的电源模块源电源模块流。所以PD吸取的总电源模块流在IEEE 802.3af/at标准的指标范围之内。当器件处于供电源模块模式时,则关闭分级电源模块流。   供电源模块模式(唤醒模式)   当VIN上升到欠压锁定门限(VON)以上时,MAX5969B进入供电源模块模式。当VIN上升到VON以上时,MAX5969B开启内部n沟道隔离MOSFET,将VSS连接至RTN,内部浪涌电源模块流限定设置为135mA (典型值)。当RTN处的电源模块压接近VSS并且浪涌电源模块流降至浪涌门限以下时,隔离MOSFET完全开启。一旦完全开启隔离MOSFET,MAX5969B将电源模块流限定更改为800mA。在功率MOSFET完全开启之前,电源模块源停当开漏输出(PG)保持为低电源模块平,持续时间至少为,以在浪涌期间禁止后续的DC-DC转换器。   芯片还有一些其它的工作状况,例如欠压锁定、热关断珍爱、墙上电源模块源适配器检测和工作等。   芯片MAX5974A为宽输入电源模块压范围、有源钳位、电源模块流模式PWM控制器,用于控制以太网供电源模块(PoE)的用电源模块设备(PD)中的正激转换器。MAX5974A适用于通用或电源模块信体系的输入电源模块压范围。芯片MAX5974A独特的电源模块路设计能够在不必要光耦的前提下获得稳固的输出。   MAX5974A有许多特征,以下简要介绍几个:   (1)峰值电源模块流模式控制、有源钳位、正激PWM控制器   (2)无需光耦即可获得稳压输出   (3)100kHz至600kHz可编程、±8%抖动控制的开关频率,可同步至高达1.2MHz   (4)可编程频率抖动,支撑低EMI、扩频工作   (5)可编程死区时间、PWM软启动、电源模块流斜率补偿   如图3所示为芯片的引脚图。   POE电源模块源模块设计详解 图3 MAX5974引脚图   表2 MAX5974A引脚简介 POE电源模块源模块设计详解   POE电源模块源模块设计详解 POE电源模块源模块设计详解   3.2 输入电源模块路以及输出电源模块路简介   输入电源模块压取自于网络端口的48V电源模块源,输入电源模块压经过两个整流桥D1、D2,其中D26是一个瞬态克制二极管SMBJ54A用来珍爱输入过压。   输出电源模块压通过反激变压器的副边整流后得到,因为整流后脉动电源模块压较大,所以会在整流后添加输出滤波电源模块容,输出滤波电源模块容一样平常会选择几个大电源模块容再加一个小电源模块容并联,大电源模块容起到储能和滤波的作用,小电源模块容用来高频去耦,几个电源模块容并联可以将输出电源模块阻降到最小。本模块POE电源模块源选择3颗封装为1206,容值大小为47uF的陶瓷电源模块容。反激变压器选择SIR412DP开关管实现有源整流,行使变压器副边绕组来获得驱动电源模块压,如许变压器原边就不必要消磁电源模块路或者吸取电源模块路,而是把能量用来驱动SIR412DP开关管,实现同步整流技术。开关管的漏极和源极并联RCD吸取电源模块路,用来克制开关管漏源端的电源模块压尖峰而达到珍爱开关管的目的。虽然说MOSFET的是一种压控压型的开关管,但是对于开关管开通和关闭都是给开关管的寄生电源模块容充电源模块来打开或关闭,这就必要肯定的驱动电源模块流。所以在驱动电源模块路中串联一个10欧姆的电源模块阻。   3.3 芯片外围电源模块路简介   芯片MAX5969B重要作用表现在刚刚上电源模块的时候和PSE供电源模块模块用来通讯的芯片,对于每一个POE电源模块源来说,这种类似的芯片是必不可少的。市面上有些号称是POE电源模块源的每每只是把48V的电源模块压变成5V或者其它的电源模块压,在上电源模块的时候并没有检测、分级的阶段,这对于受电源模块设备来说是伤害的。检测电源模块源是POE电源模块源照旧非POE电源模块源的一样平常方法是,拿万用表测量供电源模块脚,一样平常是网络端口的4,5、7,8脚,假如端口输出是稳固的48V电源模块压,这说明电源模块源是非POE电源模块源;假如测量的电源模块压在2~10V跳动,则说明电源模块源是POE电源模块源,电源模块压跳动是在对PD端进行检测。   芯片MAX5969B的VDD是电源模块源引脚,VDD和VSS之间接有0.1uF的电源模块容用来旁路,电源模块容C7和C13用来储能和滤波。   DET接一个24.9K的电源模块阻到Vin,这个电源模块阻是特性电源模块阻不可更改,要是把这个电源模块阻的阻值改变了北京人事考试中心网,POE电源模块源工作会不正常。   VSS引脚是接输入整流过后的地端,VSS内部通过MOSFET管和变压器原边的接地端相连。当芯片处于检测与分级阶段时候,内部MOSFET处于断开的状况。   RTN引脚接变压器原边的地端,是后继DC-DC的功率地端。   WAD引脚是用来接墙上适配器电源模块源供电源模块,本模块的POE电源模块源没有效上墙上适配器,但是在电源模块路设计的时候也考虑到了,只是没有焊接相干器件。   PG引脚内部是MOSFET漏极输出,在芯片内部的MOSFET完全开启之前,PG保持为低电源模块平,PG端接MAX5974A的使能端,故PG在保持低电源模块平期间,MAX5974A是处于不工作状况。PG外接1nF的电源模块容旁路。   2EC引脚是2级事件检测脚,本模块没有效上直接上拉100K电源模块阻到RTN,以防PD设备处于2级状况时,2EC引脚有一个回路。   CLS引脚是分级电源模块阻输入引脚,CLS引脚接多大电源模块阻到VSS地端,就决定了POE电源模块源是处于哪一级。可查看数据手册知当接30.9欧姆电源模块阻时,PD设备设置为4级电源模块路状况,也就是说PD设备要消费12.95-25.5W的功率。   芯片MAX5974A是一款电源模块源管理芯片,芯片内部集成了很多功能,只要根据芯片数据手册保举的外围电源模块路搭建方法,只需简单的配置些电源模块容和电源模块阻很快就可以设计出一块电源模块源模块。接下来将介绍芯片每个引脚外围电源模块路的搭建,来更好的理解芯片以及反激式开关电源模块源。   DT引脚是用来设置死区时间的,因为MAX5974A这款芯片提供了两个栅极驱动器输出,一个是NDRV主开关栅极驱动器输出,是用来驱动变压器原边是处于断开状况照旧出来接通状况。一个是AUXDRV是用来给变压器副边开关管实现同步整流的驱动旌旗灯号,因为变压器原边开关管和变压器副边开关管不能够同时开启,尽管NDRV和AUXDRV是互补输出的,但是因为开关管自己的开通和关断过程不理想,在开通和关断的时候有肯定的时间耽误,故此必要添加肯定的死区时间。死区时间设置时间在40ns至400ns之间,死区时间的设置是通过外接一个电源模块阻到RTN地端,详细多大的电源模块阻设置多长的死区时间,可通过如下公式得到:   POE电源模块源模块设计详解   本模块选择=27KW,死区时间就为108ns,对于这个死区时间已经充足了,由于本次使用的MOSFET的耽误时间都在40ns以内。   DITHER/SYNC引脚为频率加抖编程或者同步连接引脚。在DITHER/SYNC和RTN地之间连接一个电源模块容,在DITHER/SYNC和RT之间连接一个电源模块阻,可以在范围内对转换器的开关频率加抖,从而降低EMI。详细过程是DITHER/SYNC处的电源模块流源以50uA电源模块流将电源模块容C14充电源模块至2V。达到该点后,以50uA电源模块流将C14放电源模块至0.4V。电源模块容充电源模块和放电源模块会在DITHER/SYNC上产生一个三角波,峰值分别为0.4V和2V,通常情况下,频率为1KHZ。电源模块容C14的计算公式为:   POE电源模块源模块设计详解   本模块选择C14=10nF,其中连接电源模块阻公式如下:   POE电源模块源模块设计详解   其中,%DITHER为加抖量,透露表现为开关频率的百分比。将RDITHER设置为10 RRT,产生±10%的抖动。本模块中没有焊接次电源模块阻,但是也预留了位置,必要的时候可以焊上次电源模块阻。   RT引脚是开关频率编程电源模块阻连接。将连接至RTN地,设置PWM开关频率在100KHZ~600KHZ之间。可参考如下公式:   POE电源模块源模块设计详解   为PWM波的开关频率,本模块电源模块源选择为29.4K,也就是说开关频率为296KHZ。   FFB引脚是频率折返门限编程输入。将一个电源模块阻从FFB连接至RTN地,设置输出平均电源模块流门限。低于该门限时,转换器将开关频率折返至其原始值的1/2。该引脚连接至RTN地时,禁用频率折返功能。这脚的功能是为了在轻载的时候降低开关频率,以降低开关损耗,进步转换器服从,节约能源的作用。连接的电源模块阻计算可通过如下公式得到:   POE电源模块源模块设计详解   其中,RFFB为FFB和RTN地之间的电源模块阻,ILOAD(LIGHT)为轻载条件下触发频率折返的电源模块流,RCS为连接在CS和RTN地之间的检测电源模块阻,IFFB为FFB源出至RFFB的电源模块流(30µA,典型值)。本模块通过一个0欧姆电源模块阻相连。   COMP引脚是跨导放大器输出和PWM比较器输入。使用电源模块平转换器将COMP转换至低电源模块平,并连接至PWM比较器的反相输入。此引脚是用来改善环路稳固性,使输出电源模块压稳固纹波小。本模块采用二型环路补偿网络来实现环路的稳固,详细由原理图中C15、C16和R10构成的电源模块路来完成。   FB引脚是跨导放大器反相输入。MAX5974A包含一个带有采样-保持输入的内部偏差放大器。偏差放大器的同相输入连接至内部基准,在反相输入提供反馈。高开环增益和单位增益带宽可实现优秀的闭环带宽和瞬态相应。采用下式计算变压器原边耦合的输出电源模块压:   POE电源模块源模块设计详解   MAX5974A的为1.52V,其中反馈电源模块压可通过如下公式得到:   POE电源模块源模块设计详解   本模块的   POE电源模块源模块设计详解   本模块的反馈电源模块压取自于变压器原边耦合的电源模块压,而没有使用传统的行使TL431和PC817的方案来获得反馈电源模块压从而使输出电源模块压稳固,但是在电源模块路设计的时候也预留了TL431和PC817反馈的方案来获得输出电源模块压稳固。变压器原边耦合的电源模块压还有一个作用就是给MAX5974A芯片提供电源模块源输入。可通过设置反馈部分的电源模块压来改变输出电源模块压,可以由如下公式可知:   POE电源模块源模块设计详解   其中, VOUT为输出电源模块压, NC/NO为耦合输出与主输出绕组的匝数比。选择的匝数比要使VCOUPLED高于UVLO关断电源模块平(7.35V,最大值)达肯定裕量,该裕量由“跨越”一次掉电源模块所需的保持时间决定。   SGND引脚为旌旗灯号地引脚连接到RTN地。   CSSC引脚带有斜率补偿输入的电源模块流检测。连接在CSSC与CS之间的电源模块阻用于设置斜率补偿量。器件在CSSC端产生电源模块流斜坡,其峰值在振荡器占空比为80%时达50μA。连接在CSSC至CS的外部电源模块阻将该电源模块流斜坡转换至可编程斜率补偿幅值,加至电源模块流检测旌旗灯号,用于稳固峰值电源模块流模式控制环路。斜率补偿旌旗灯号的转变率由下式给出:   POE电源模块源模块设计详解   其中,m为斜率补偿旌旗灯号的转变率;RCSSC为连接在CSSC和CS之间的电源模块阻值,用于设置转变率;fSW为开关频率。本模块选择电源模块阻R18为4.02K。   CS引脚是电源模块流检测输入。用于平均电源模块流检测和逐周期限流的电源模块流检测连接。峰值限流触发电源模块压为400mV,反向限流触发电源模块压为-100mV。连接在n沟道MOSFET源极和RTN地之间的电源模块流检测电源模块阻(典型应用电源模块路中的RCS)用于设置限流值。限流比较器的电源模块压触发电源模块平(VCS-PEAK)为400mV。行使下式计算RCS值:   POE电源模块源模块设计详解   其中,IPRI为变压器原边的峰值电源模块流,该电源模块流也流经MOSFET。当该电源模块流(通过电源模块流检测电源模块阻)产生的电源模块压超过限流比较器门限时,MOSFET驱动器(NDRV)在35ns()内停止电源模块流导通周期。本模块的限流电源模块阻选择R21、R25为1206封装阻值为0.25欧姆。行使一个小型RC网络,对检测波形上的前沿尖峰进行额外的滤波。滤波电源模块路的角频率设置在10MHz至20MHz之间。本模块选择R26为499欧姆和电源模块容C24为330pF。   PGND引脚为功率地接RTN地端。PGND为栅极驱动器的开关电源模块流回路。   NDRV引脚为主开关栅极驱动器输出。此脚通过一个小电源模块阻接到主开关管SI7450的栅极来驱动SI7450。此脚输出的频率为296KHZ。   AUXDRV引脚pMOS有源钳位开关栅极驱动器输出。AUXDRV亦可驱动脉冲变压器,用于同步反激应用。此引脚和NDRV为互补输出,本模块是采用变压器副边耦合来驱动输出整流开关管,故此脚并没有效上,处于悬空状况,但是在设计的时候,把其驱动的外围电源模块路也包含了进去,必要用其来驱动输出整流开关管时可以把相干电源模块路焊上,但是不能同时有变压器副边耦合驱动和用AUXDRV驱动存在。   VC引脚是转换器电源模块源输入。IN具有宽UVLO滞回,能够实现高服从电源模块源设计。当使用使能输入EN设置电源模块源的UVLO电源模块平时,在IN和PGND之间连接一个齐纳二极管,确保VIN总是被钳位至低于其绝对最大额定值26V。本模块的电源模块源输入取自变压器原边耦合的电源模块压,变压器原边耦合的电源模块压通过D10整流后给芯片的VC,芯片VC和RTN地之间接有22V稳压管D28以及电源模块容C4和C37。其中与二极管D10并联的RC电源模块路是用来,在上电源模块瞬间防止二极管有大电源模块流的冲击,在上电源模块瞬间电源模块流先通过RC电源模块路,而珍爱二极管D10。   EN引脚使能输入。当EN电源模块压低于VENF时,栅极驱动器被禁用,器件处于低功耗UVLO模式。当EN电源模块压高于VENR时,器件检查其它使能条件。使能输入EN用于使能或禁用器件。EN连接至IN时,器件始终保持工作。EN连接至地时,可禁用器件,并将电源模块流损耗降低至150μA。本模块的EN端通过一个100K的电源模块阻连接到VC端,EN端也和MAX5969B的PG引脚相连,以用于在供电源模块之前禁用MAX5974B。   DCLMP引脚是前馈最大占空比钳位编程输入。在输入电源模块源电源模块压DCLMP和GND之间连接一个电源模块阻分压器。DCLMP上的电源模块压设置转换器的最大占空比(DMAX),该值与输入电源模块源电源模块压成反比,所以MOSFET在发生瞬态期间仍然处于受珍爱状况。可以由如下公式得到分压电源模块阻:   POE电源模块源模块设计详解   本模块   POE电源模块源模块设计详解   分别为原理图中的R8和R7。   POE电源模块源模块设计详解   SS引脚是软启动编程电源模块容连接。在SS和GND之间连接一个电源模块容,设置软启动周期。该电源模块容还决定打嗝模式限流的重启时间。SS和GND之间的电源模块阻亦可用于设置低于75%的DMAX。在SS和GND之间连接一个电源模块容CSS,设置软启动时间。VSS控制启动期间的振荡器占空比,使占空比缓慢、平滑地增大至其稳态值。按下式计算CSS值:   POE电源模块源模块设计详解   其中,ISS-CH (10μA,典型值)为软启动期间的CSS充电源模块电源模块流,tSS为设置的软启动时间。通过在SS和地之间连接电源模块阻,可将SS上的电源模块压设为低于2V。VSS计算如下:   POE电源模块源模块设计详解   本模块电源模块源选择电源模块容C3=22nF,电源模块阻R35=1MW。   3.3 变压器和开关管的选择   反激变压器设计的成功与否很大一部分要取决于变压器设计的好坏,不同的电源模块路拓扑结构有不同的计算公式,但是基本都是基于AP法来设计变压器。有些做电源模块源具有雄厚经验的人每每能够设计出很好的变压器,并且在设计的时候并没有过多的计算。通过公式所计算出来的变压器参数每每只有变压器匝比、线径、变压器磁芯以及变压器骨架等,要想设计一个好的变压器只有这些是不够的,还要考虑变压器的绕法,变压器怎样绕是一个紧张的参数。由于不同的变压器绕法所得到的变压器最终性能有很大差别,比如采用三明治绕法的变压具有较低的漏感。反正变压器的设计有太多东西必要考虑,假如所绕的变压器性能较差,可以适当调整匝数、改变绕法或者换一个变压器磁芯等。   本模块选用外购的变压器Sumida T225,由于本模块的开关频率较高,对于变压器尺寸也有所要求,经过多次讨论决定外购变压器而不是本身绕。通过测试发现此变压器性能很好,变压器在重载的时候没有什么非常发生,输出电源模块压也正常。   反激式开关电源模块源的开关管选摘要知足漏源能够承受输入电源模块压外加变压器副边耦合过来的电源模块压的1.5倍,才能保证开关管不会在关断的时候被击穿。开关管漏源也要能够流过2倍的输入电源模块流,才能保证开关管不会因过流导致损坏。开关管的损耗在整个电源模块源模块损耗中占据肯定比例,一样平常会选择开关管上升和降落时间短的MOSFET,保证在开关管导通和关闭的一段时间里电源模块压和电源模块流叠加的部分少,降低开关管的损耗。   4 电源模块源PDN和纹波噪声   4.1 电源模块源PDN   电源模块源纹波噪声测试是一个比较复杂的测试难题,不同方法测量到的效果不同,即使统一种测试方法不同人测试效果一样平常也会存在差别。   对于终端类产品,不管是CPU、GPU、DDR等西安人事考试,其芯片内部都有成千上万的晶体管,芯片内不同的电源模块路必要不同的电源模块源供电源模块,常见有Vcore、Vcpu、Vmem、VIO、Vgpu、Vpll等,这些电源模块源有DC-DC电源模块源模块供电源模块,也有LDO电源模块源模块供电源模块,都同一由PMU来管理。   如图4所示,为芯片的PDN图,芯片的供电源模块环路从稳压模块VRM开始,到PCB的电源模块源网络,芯片的ball引脚,芯片封装的电源模块源网络,最后到达die. 当芯片工作在不同负载时,VRM无法实时相应负载对电源模块流快速转变的需求,在芯片电源模块源电源模块压上产生跌落,从而产生了电源模块源噪声。对于开关电源模块源模块的VRM,电源模块源自身会产生和开关频率同等的电源模块源纹波,始终叠加在电源模块源上输出。对于电源模块源噪声,必要在封装、PCB上使用去耦电源模块容,设计合理的电源模块源地平面,最终滤去电源模块源噪声。对于电源模块源纹波,必要增大BULK电源模块感或者BULK电源模块容。   POE电源模块源模块设计详解 图4 芯片电源模块源分布网络(PDN)示意图   对于板级PCB设计,当频率达到肯定频率后,因为走线的ESL、电源模块容的ESL的影响,已经无法滤去高频噪声,业界认为PCB只能处理100MHz以内的噪声,更高频率的噪声必要封装或者die来解决。因此对于板级电源模块源噪声测试,使用带宽500M以上的示波器就充足了。一样平常情况下,示波器的带宽越大,低噪也会随之上升,因此建议测试电源模块源时示波器的带宽限定为1GHz。   4.2 电源模块源纹波和电源模块源噪声   电源模块源纹波和电源模块源噪声是一个比较容易混淆的概念,如下图5所示,蓝色波形为电源模块源纹波,红色波形为电源模块源噪声。电源模块源纹波的频率为开关频率的基波协调波,而噪声的频率成分高于纹波,是由板上芯片高速I/O的开关切换产生的瞬态电源模块流、供电源模块网络的寄生电源模块感、电源模块源平面和地平面之间的电源模块磁辐射等诸多因素产生的。因此,在PMU侧测量电源模块源输出为纹波,而在SINK端(耗电源模块芯片端,如AP、EMMC、MODEM等)测量的是电源模块源噪声。   POE电源模块源模块设计详解 图5 电源模块源纹波噪声图   电源模块源纹波测量时,限定示波器带宽为20MHz,测量PMU电源模块源输出的波形峰峰值即可电源模块源纹波。因为PMU芯片在设计完成后,芯片厂商会做负载测试北京网站建设,测试PMU在不同负载时输出电源模块源的纹波情况,因此在终端类产品板上,没需要在做这方面的测试,纹波大小参考PMU手册即可。   电源模块源噪声测试时,测试点放在SINK端,因为SINK端工作速度大都在几十MHz以上,因此示波器带宽设置为全频段(最高为示波器带宽上限),测试点要尽量靠近测试芯片的电源模块源引脚,假如存在多个电源模块源引脚,应该选择距离PMU最远端的那个引脚。电源模块源噪声跟PCB布局布线,DECAP电源模块容的位置的位置相干,同时电源模块源噪声影响CPU的工作状况和单板的EMI,终端类产品板必要对每块单板测试电源模块源噪声。   5 常见的纹波噪声测试方案   5.1 纹波噪声测试基本要求   目前芯片的工作频率越来越高,工作电源模块压越来越低,工作电源模块流越来越大,噪声要求也更加苛刻,以MSM8974的CORE核为例,电源模块压为0.9V,电源模块流为3A,要求25MHz时,交流PDN阻抗为22mohm,电源模块源噪声要求在±33mV以内。对于DDR3芯片,要求VREF电源模块源噪声在±1%以内,若1.5V供电源模块,则噪声峰峰值不大于30mV。   POE电源模块源模块设计详解   这类低噪声的电源模块源测试特别很是具有挑衅,影响其测量正确性的重要有如下几点:   (1)示波器通道的底噪;   (2)示波器的分辨率(示波器的ADC位数);   (3)示波器垂直刻度最小值(量化偏差);   (4)探头带宽;   (5)探头GND和旌旗灯号两个测试点的距离;   (6)示波器通道的设置;   在测试电源模块源噪声时,要求如下条件:   (1)必要在重负载情况下测试电源模块源纹波;   (2)测试电源模块源纹波时应该将CPU、GPU、DDR频率锁定在最高频;   (3)测试点应该在SINK端距离PMU最远的位置;   (4)测试点应该靠近芯片的BALL;   (5)带宽设置为全频段;   (6)示波器带宽大于500MHz;   (7)噪声波形占整个屏幕的2/3以上或者垂直刻度已经为最小值;   (8)探头地和旌旗灯号之间的回路最短,电源模块感最小;   (9)测试时间大于1min,采样时间1ms以上,采样率500Ms/s以上;   (10)纹波噪声看Pk-Pk值,关注Max、Min值;   5.2 高通滤波器特征分析   示波器有AC和DC两种耦合体例,当采用AC耦应时,其内部等效电源模块路如图6所示,C为隔值电源模块容,R为终端对地阻抗,Vi为输入旌旗灯号,Vo为测量旌旗灯号,滤波器的截止频率为   POE电源模块源模块设计详解   为旌旗灯号频率,则有:   POE电源模块源模块设计详解   POE电源模块源模块设计详解 图6加隔值电源模块容后高通滤波器等效电源模块路   表3 不同隔值电源模块容对应的频点 POE电源模块源模块设计详解   5.3 无源探头DC耦合测试   使用无源探头DC耦合测试,示波器内部设置为DC耦合,耦合阻抗为1Mohm,此时无源探头的地线接主板地,旌旗灯号线接待测电源模块源旌旗灯号。这种测量方法可以测到除DC以外的电源模块源噪声纹波。   如图7所示,当采用通俗的鳄鱼夹探头时,因为地和待测旌旗灯号之间的环路太大,而探头探测点靠近高速运行的IC芯片,近场辐射较大,会有许多EMI噪声辐射到探头回路中,使测试的数据不正确。为了改善这种情况,保举用无源探头测试纹波时,使用右图中的探头,将地旌旗灯号缠绕在旌旗灯号引脚上,相称于在地和旌旗灯号之间存在一个环路电源模块感,对高频旌旗灯号相称于高阻,有用克制因为辐射产生的高频噪声。更多时候,建议测试者采用第三种测试方法,将一个漆包线绕在探头上,然后将漆包线的焊接到主板地网络上,移动探头去测试每一起电源模块源纹波噪声。同时无源探头要求尽量采用1:1的探头,杜绝使用1:10的探头。   POE电源模块源模块设计详解 图7 无源探头地线两种处理方法   对于示波器,若垂直刻度为xV/div,示波器垂直方向为10div,满量程为10xV,示波器采样AD为8位,则量化偏差为10x/256 V。例如一个1V电源模块源,噪声纹波为50mV,假如要表现这个旌旗灯号,必要设置垂直刻度为200mV/div,此时量化偏差为7.8mV,假如把直流1V通过offset去掉,只表现纹波噪声旌旗灯号,垂直刻度设置为10mV即可,此时的量化偏差为0.4mV。   使用无源探头DC耦合测试,示波器设置如下:   (1)1Mohm端接匹配;   (2)DC耦合;   (3)全带宽;   (4)offset设置为电源模块源电源模块压;   5.4 无源探头AC耦合测试   使用无源探头DC耦合必要设置offset,对于电源模块源电源模块压不稳固的情况,offset设置不合理,会导致屏幕上表现的旌旗灯号超出量程,此时选择AC耦合,使用内置的搁置电源模块路来滤去直流分量。对于大多数的示波器,会有如下参数,设置为AC耦合,此时测量的为10Hz以上的噪声纹波。   POE电源模块源模块设计详解 图8 示波器两种耦合体例频点   使用无源探头AC耦合测试,设置如下:   (1)1Mohm端接匹配;   (2)AC耦合;   (3)全带宽;   (4)offset设置为0   5.5 同轴线外部隔直电源模块容DC50欧耦合测试   因为无源探头的带宽较低,而电源模块源开关噪声一样平常都在百MHz以上,同时电源模块源内阻一样平常在几百毫欧以内,选择高阻1Mohm的无源探头对于高频会产生反射征象,因此可以选择用同轴线来代替无源探头,此时示波器端接阻抗设置为50欧,与同轴线阻抗相匹配,根据传输线理论,电源模块源噪声没有反射,此时认为测量效果最正确。   行使同轴线的测量方法,最正确的是采用DC50欧,但是大部分示波器在DC50欧时offset最大电源模块压为1V,无法知足大部分电源模块源的测量要求,而示波器内部端接阻抗为50欧时,不支撑AC耦合,因此必要外置一个AC电源模块容,如图9所示,当串联电源模块容值为10uF时,根据表3可以看到,此时可以正确测试到2KHz以上的纹波噪声旌旗灯号。   POE电源模块源模块设计详解 图9 同轴线DC50测量图   5.6 同轴线AC1M欧耦合测试   因为从PMU出来的电源模块源纹波噪声大多集中在1MHz以内,假如采用同轴线DC50外置隔直电源模块容测量方法,低频噪声分量损失较为紧张,因此改用图10所示的测量方法,行使同轴线传输旌旗灯号,示波器设置为AC1M,如许虽然存在反射,但是反射旌旗灯号经过较长CABLE线折返传输后,影响是有限的,示波器在R2上采集电源模块压值可以认为仍然可以被参考。   POE电源模块源模块设计详解 图10 同轴线AC1M测量图   为了避免反射,在同轴线接到示波器的接口处端接一个50ohm电源模块阻,使示波器输入阻抗和cable线特性阻抗匹配。   POE电源模块源模块设计详解 图11 同轴线AC1M测量改进图   5.7 差分探头外置电源模块容DC耦合测试   因为示波器的探头地和机壳地通过一个小电源模块容接在一路,而示波器的机壳地又通过三角插头和大地接在一路,在实验室里,几乎所有的设备地都和大地接在一路,示波器内部地线接法如图12所示,因此上面介绍的两种方法都无法解决地干扰题目,为了解决这个题目,必要引入浮地示波器或者差分探头。   POE电源模块源模块设计详解 图12示波器内部地线接法   如图13所示,为差分接法,因为差分探头为有源探头,外置差动放大器,可以将待测旌旗灯号通过差分体例接入,使示波器的地和待测件地隔脱离,达到浮地结果。但是差分探头在示波器内部只能DC50欧耦合,而offset最大一样平常不超过1V,因此必要在差分探头上串联隔直电源模块容。使用差分探头测量时关键是探头的CMRR要充足大,如许才能有用克制共模噪声   POE电源模块源模块设计详解 图13差分探头外置电源模块容DC耦合接法示意图   5.8 差分探头衰减DC耦合测试   当采用差分探头外置电源模块容DC耦应时,同样存在截止频率的题目,测量的效果会损失一些低频分量,为了解决这个题目,可以将差分探头衰减10倍,示波器会将采集到的电源模块压值乘10表现出来,这个时候offset设置也会放大到10VLED灯笼,能够知足终端类产品的直流电源模块压偏置。   POE电源模块源模块设计详解 图14 差分探头衰减DC耦合测试接法示意图   6 电源模块源模块电源模块压测试   因为本模块是POE电源模块源,测试所使用的输入电源模块压取自于网口,PSE供电源模块模块会和本模块先辈行握手通讯,PSE设备确定后面所接的是PD设备后,才给PD设备供电源模块。如图15所示为一个PoE SWITCH设备。   POE电源模块源模块设计详解 图15 PoE SWITCH设备   如图16所示为本模块电源模块路,电源模块路长大约6.2cm,宽大约2.65cm,嵬峨约1.5cm。   POE电源模块源模块设计详解 图16 POE电源模块源模块   因为给POE电源模块源是通过网口供电源模块的,本模块没有分外设计一个网络端口来给供电源模块,而是使用“硬件十万个为什么”提供的开发板,此开发板是用来给物联网编程用的,属于工业兼学习使用的一块开发板,可以使用开发板来实现wifi、GPRS、蓝牙、串口、LORA、POE等功能的使用,故直接选择此块开发板来实现网络端口供电源模块。如图17所示为网络供电源模块端口。   POE电源模块源模块设计详解 图17 网络端口供电源模块模块   6.1 输入电源模块压测量   图18所示为通过网络端口过后在POE电源模块源输入端口测的电源模块压,此次所使用的示波器是鼎阳牌SDS1000X-C数字示波器。   POE电源模块源模块设计详解 图18 输入电源模块压波形   输入电源模块压也有肯定的纹波,图19所示就是输入电源模块压的纹波,可以看出纹波照旧比较小的,是可以接受的纹波范围。   POE电源模块源模块设计详解 图19 输入电源模块压纹波测试   6.2 输出电源模块压测量   本模块输出电源模块压应该是5V输出,但是因为很难把电源模块压一向稳固在5V不变。   图20所示就是输出电源模块压测试,从万用表中看出,输出电源模块压在5.1V。   POE电源模块源模块设计详解 图20 输出电源模块压测试   输出电源模块压也是有纹波的,图21所示就是输出电源模块压的纹波测试图。   POE电源模块源模块设计详解 图21 输出电源模块压纹波   从输出纹波可以看出,此纹波在可接受范围内的。   7 总结   本文档简要介绍了POE电源模块源的基础知识,以及整块电源模块路芯片以及元件选型,电源模块路原理的介绍。电源模块源纹波的产生以及测试方法的介绍,POE电源模块源的测试设备介绍,以及输入输出电源模块压的测量等。    

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