TPS23752EVM - 145评估模块：高效PoE解决方案解析

在电子设计领域，PoE（Power over Ethernet）技术因其能通过以太网电缆同时传输数据和电力的特性，极大地简化了设备的安装和部署。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的TPS23752EVM - 145评估模块，看看它在PoE应用中能带来怎样的表现。

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一、模块概述

TPS23752EVM - 145是为评估TPS23752而设计的评估模块。TPS23752是一款Type 2的PoE受电设备（PD）控制器，同时集成了具有睡眠模式的电流模式DC/DC控制器，特别针对宽负载范围内的高效率应用进行了优化。

1.1 功能特性

• 高效同步反激设计：采用同步整流禁用和可变频率操作，增强了轻载运行效率。
• 睡眠模式能力：支持PSE DC和脉冲MPS签名、唤醒功能以及状态LED指示。
• 多输入支持：具备24V和48V适配器输入能力。
• 以太网接口：提供千兆以太网直通接口。
• 硬件分类：符合IEEE 802.3at Type - 2硬件分类，带有次级侧状态标志（T2P）和LED指示。
• 内部MOSFET：拥有坚固的100V、0.5Ω内部热插拔MOSFET。
• 输出规格：输出为5V、5A、25W直流。

1.2 应用场景

该模块适用于多种IEEE 802.3at合规设备，如视频和VoIP电话、多频段接入点、安全摄像头以及Pico基站等。

二、电气规格

TPS23752EVM - 145的电气规格涵盖了电源接口和DC/DC转换器两方面。

2.1 电源接口

• 输入电压：连接器J1或J3的电源引脚输入电压范围为0 - 57V。
• 欠压锁定（UVLO）：PoE输入J1的上升输入电压为40V，下降输入电压为30V；适配器J3的上升输入电压为18.7V。
• 检测电压和分类电压：设备端子处的检测电压为1.4 - 10.1V，分类电压为11.9 - 23.0V。
• 电流限制：浪涌电流限制为100 - 180mA，工作电流限制为850 - 1200mA。

2.2 DC/DC转换器

• 输出电压：在21.6V ≤ Vin ≤ 57V，负载电流ILOAD ≤ ILOAD（max）的条件下，5V输出电压范围为4.85 - 5.15V。
• 输出电流：在21.6V ≤ Vin ≤ 57V时，5V输出电流为5.0A。
• 输出纹波电压：当Vin = 44V，ILOAD = 5A时，5V输出的峰 - 峰纹波电压为30mV。
• 效率：在Vin = 54V，ILOAD = 5A时，DC/DC转换器效率为93%，端到端效率为90%。
• 开关频率：PWM模式下的开关频率为225 - 275kHz。

三、模块描述

该评估模块能够对TPS23752设备进行全面评估。以太网电源从J1施加到T1，再通过T1中心抽头连接到二极管桥（D1/D2/D7/D8或D3/D4/D9/D10）。每个中心抽头的串联R - C电路有助于平衡以太网电缆阻抗，对ESD和EMI/EMC性能至关重要。这些电路通过高压电容器C10在TP7（EGND）处终止。

输入电源也可以从J3的直流电源提供，该连接器处提供了EMI/EMC滤波，二极管D5提供反向电压保护。R5和R10为TPS23752的APD引脚提供阈值，当J3处的电压高于约18V时，TPS23752内部MOSFET将被禁用，确保适配器优先于PSE源。

在PoE二极管桥下方有四个光隔离电路，U1、U2、U3及其相关电路支持TPS23752的睡眠或低功耗模式。U4电路用于指示适配器或Type 2 PoE源是否存在。

TPS23752（U5）的PD和DC/DC转换器电路如图所示。R23提供检测签名，R26提供分类（Class 4）签名。U5右侧是PD控制器的开关侧，TPS23752的RTN引脚提供浪涌限制的开启和大容量电容器C16的充电功能。在浪涌期间，TPS23752的DC/DC控制器将被禁用。

DC/DC转换器采用驱动同步、隔离反激拓扑，根据输出负载情况在可变频率（VFO）或脉冲宽度调制（PWM）模式下运行，以提高宽负载范围的效率。初级（Q5）和次级（Q3）开关MOSFET由U5的GATE引脚驱动，Q6/D16/R32（初级）和T3/Q4/D18/R38（次级）分别提供MOSFET栅极驱动缓冲和相位调整。除了Q3，D17在转换器处于VFO模式时提供次级侧整流。R25/D15/C27/C29为U5的DC/DC控制器提供12V辅助输出，D13/R22/C19为Q5提供峰值电压钳位保护。

输出电压反馈由U7和相关误差放大器（U8）电路提供。R46在测量转换器的频率响应时提供误差注入手段。该反馈电路驱动U5的CTL引脚，提供与输出负载电流成比例的电压。CTL引脚的电压还可以通过与SRT引脚（由R31和R35设置）上的电压进行比较来检测所需的模式转换点。当输出负载减小时，CTL引脚电压也会降低。当CTL越过转换点（进入VFO模式）时，转换器禁用Q3，允许D17进行整流。当输出负载增加时，转换器回到PWM模式，允许Q3进行整流。

四、通用配置与测试设置

4.1 物理访问

该模块的连接器、测试点和跳线具有特定的功能。

• 连接器：J1为PoE输入，连接到电源供电设备（PSE）的电源和数据源；J2为以太网数据直通，连接到下游以太网设备；J5用于检测S1是否被按下；J6用于使TPS23752进入睡眠模式；J8用于选择脉冲或DC MPS；J9用于指示Type 2 PSE或适配器是否存在；J10为输出连接器，连接负载。
• 测试点：分布在模块各处，用于监测不同的信号，如数据对、电压、电流等。
• 跳线：J4、J7、J11分别用于启用WAKE、T2P和OUTPUT LED，在进行效率测量时，J7和J11的跳线可以移除。

4.2 测试设置

典型的测试设置是将J1连接到PSE，以太网设备的电源可从J10获取，直通以太网数据可从J2获取。

五、性能数据

5.1 效率

通过图4、图5和图6可以直观地看到该评估模块的效率表现。图4测量的是J1输入接口和J10输出连接器之间的端到端效率；图5和图6测量的是TP5/TP6和J10之间的效率，排除了二极管桥和以太网变压器的损耗。图6展示了VFO模式在轻载时的效率提升。

六、组装图纸与布局指南

6.1 PCB图纸

图7 - 图12展示了组件的放置和布局，包括顶层放置、顶层布线、第二层布线、第三层布线、底层布线和底层放置等。

6.2 布局指南

• PoE前端布局：遵循电源和EMI/ESD最佳实践指南，部件放置应根据功率流以点对点的方式进行，确保所有引线尽可能短，使用宽功率走线和成对的信号与返回线，避免信号交叉。同时，要遵守安全标准，确保48V输入电压轨之间以及输入与隔离转换器输出之间的间距。
• DC/DC转换器布局：采用信号配对，减少发射和噪声，特别是对于承载高电流脉冲的路径；最小化高电流、功率半导体和磁性组件的走线长度；尽可能使用垂直配对；谨慎使用接地平面来处理开关电流。

6.3 EMI抑制

为了抑制电磁干扰，需要采取一系列措施，如使用紧凑的环路、最小化与输入走线相关的铜面积、使用铜接地平面和顶层铜填充、使用4层PCB、隐藏与开关节点相关的铜、对组件的安静侧进行散热、使用Bob Smith终端和LC滤波器等。

七、物料清单

该评估模块的物料清单详细列出了各种组件的数量、参考编号、值、描述、尺寸、部件编号和供应商等信息，为工程师进行设计和采购提供了准确的依据。

八、注意事项

在使用TPS23752EVM - 145评估模块时，需要注意以下几点：

• 该模块仅用于实验室/开发环境的初步可行性评估，不是成品电气设备，不适合消费者使用。
• 用户需对产品的安全和合规性负责，确保在使用过程中采取合理的安全措施。
• 操作时应在TI推荐的规格和环境条件下进行，避免超出额定值，以免造成财产损失、人身伤害或死亡。
• 对于安全关键或生命关键应用，需要与TI签订单独的保证和赔偿协议。

通过对TPS23752EVM - 145评估模块的深入了解，我们可以看到它在PoE应用中具有诸多优势，为电子工程师提供了一个高效、可靠的解决方案。在实际设计中，工程师可以根据具体需求，结合模块的特性和布局指南，进行合理的设计和优化。大家在使用该模块的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。