电源转换模块 POE电源模块设计详解

1概述

2 POE主电源特性

2.1 PSE特征参数

2.2局部放电功率水平

2.3 Poe电源的工作过程

3 POE电源模块介绍

3.1 POE电源模块芯片

3.2输入电路和输出电路介绍

3.3芯片外围电路介绍

3.4变压器和开关管的选择

4电源PDN和纹波噪声

4.1 PDN电源

4.2电源纹波和电源噪声

5种常见纹波噪声测试方案

5.1纹波噪声测试的基本要求

5.2高通滤波器的特性分析

5.3无源探头DC耦合测试

5.4无源探头的交流耦合测试

5.5同轴线外DC阻断电容器DC-50耦合试验

5.6 AC1M同轴线欧洲耦合测试

5.7差动探头外部电容的DC耦合试验

5.8差分探头衰减DC耦合测试

6电源模块电压测试

6.1输入电压测量

6.2输出电压测量

7摘要

1概述:

定义:PoE是全功率以太网供电，指10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太网网络供电，即数据线和电源线在同一条网线上传输，可靠供电最长距离为100m。

PoE供电系统包括PSE(电源设备)和PD(电源装置)两种设备，主要用于向其他设备供电。

2 POE主电源特性

2.1 PSE特征参数:

50W截止频率(千赫)

误差频率为50W-1%(千赫)

50W截止频率(赫兹)

1MW-1%误差频率点(赫兹)

0.1

31.83

222.82

1.5915

11.14

0.47

6.77

47.41

0.3386

2.37

一个

3.18

22.28

0.1592

1.11

2.2

1.45

10.13

0.0723

0.51

0.32

2.23

0.0159

0.11

5.3无源探头DC耦合测试

使用无源探头进行DC耦合测试。示波器内部设置为DC耦合，耦合阻抗为1欧姆。此时，无源探针的接地线连接到主板接地，信号线接收待测电源信号。该方法可以测量除DC以外的电源噪声纹波。

如图7所示，使用普通鳄鱼夹探头时，由于地面与待测信号之间的回路过大，探头检测点靠近高速运行的IC芯片，近场辐射较大，大量的EMI噪声会辐射到探头回路中，使得测试数据不准确。为了改善这种情况，建议使用无源探头测试纹波时，使用右图中的探头将接地信号缠绕在信号引脚周围，这相当于接地和信号之间的环路电感，相当于高频信号的高阻，从而有效抑制辐射引起的高频噪声。更多时候建议测试仪采用第三种测试方法，在探头周围缠绕一根漆包线，然后将漆包线焊接到主板网络上，移动探头测试各个电源的纹波噪声。同时，被动探头应尽量采用1:1探头，避免使用1:10探头。

图7无源探头地线的两种加工方法

对于示波器，如果垂直刻度为xV/div，示波器垂直方向为10div，满刻度为10xV，示波器采样AD为8位，则量化误差为10x/256 V，例如在1V电源中，噪声纹波为50mV。如果要显示这个信号，需要将垂直比例设置为200mV/div，此时量化误差为7.8 mV。如果通过偏移去除DC 1V，将只显示纹波噪声信号，并且垂直比例可以设置为10mV，此时量化误差为0.4毫伏..

使用无源探头DC耦合测试，示波器设置如下:

(1)1欧姆终端匹配；

(2)DC耦合；

(3)全带宽；

(4)偏移被设置为电源电压；

5.4无源探头的交流耦合测试

当使用无源探头DC耦合时，有必要设置偏移。当电源电压不稳定时，失调设置不合理会导致屏幕上显示的信号超出范围。此时选择交流耦合，利用内置的排架电路滤除DC分量。对于大多数示波器，以下参数将被设置为交流耦合，此时将测量10Hz以上的噪声纹波。

图8示波器两种耦合模式的频点

使用无源探头交流耦合测试，设置如下:

(1)1欧姆终端匹配；

(2)交流耦合；

(3)全带宽；

(4)偏移量设置为0

5.5同轴线外DC阻断电容器DC-50耦合试验

由于无源探头带宽低，电源开关噪声一般在100 MHz以上，电源内阻一般在几百毫欧以内，1欧姆的高阻无源探头对高频会产生反射现象，可以用同轴线代替无源探头。此时示波器的终端阻抗设置为50欧姆，与同轴线的阻抗匹配。根据传输线理论，电源噪声没有反映出来，所以测量结果被认为是最准确的。

使用同轴线最精确的测量方法是dc50ohm，但大多数示波器不能满足大多数电源的测量要求，因为dc50ohm时最大失调电压为1V。然而，当示波器的内部终端阻抗为50欧姆时，不支持交流耦合，因此需要外部交流电容。如图9所示，当串联电容值为10uF时，从表3可以看出，此时可以精确地测量高于2KHz的纹波噪声信号。

图9同轴线DC50测量图

5.6 AC1M同轴线欧洲耦合测试

由于PMU的功率纹波噪声大多集中在1兆赫兹以内，如果采用同轴线DC50外DC阻断电容测量方法，低频噪声分量损失严重。所以改用图10所示的测量方法，用同轴线传输信号，示波器设置为AC1M。这样，虽然有反射，但反射信号通过长电缆线路传输后影响有限，示波器采集的R2电压值仍可作为参考。

图10同轴线AC1M的测量图

为了避免反射，在同轴线与示波器的接口端接一个50欧姆的电阻，使示波器的输入阻抗与电缆线的特性阻抗相匹配。

图11同轴线AC1M改进测量图

5.7差动探头外部电容的DC耦合试验

由于示波器的探头地线和套管地线是用一个小电容连接在一起的，示波器的套管地线是通过一个三角形插头与地线连接的，所以实验室里几乎所有的设备地线都是与地线连接的，示波器内部地线的连接方式如图12所示，所以上述两种方法都不能解决干扰问题。为了解决这个问题，有必要引入浮动示波器或差分探头。

图12示波器内部接地

如图13所示，是一种差分连接方式。由于差动探头是有源探头，是外接差动放大器，可以对待测信号进行差动连接，使示波器的地与待测部分的地隔离，达到浮动效果。但差分探头在示波器内部只能耦合DC50欧姆，最大偏移一般不超过1V，因此需要将DC阻断电容与差分探头串联。用差分探头测量时，关键是探头的CMRR要足够大，这样才能有效抑制共模噪声

图13差动探头外电容DC耦合连接示意图

5.8差分探头衰减DC耦合测试

使用差动探头外接电容的DC耦合时，还存在截止频率的问题，在测量结果中会丢失一些低频成分。要解决这个问题，差分探头可以衰减10倍，示波器会将采集到的电压值乘以10显示出来。此时偏移设置会放大到10V，可以满足终端产品的DC偏压。

图14差分探头衰减DC耦合测试连接示意图

6电源模块电压测试

由于该模块是POE电源，测试中使用的输入电压取自网络端口，因此PSE电源模块将首先通过握手与该模块通信，PSE设备将在确认其连接到背面后向PD设备供电。图15示出了PoE开关设备。

图15 PoE交换机设备

如图16所示，该模块电路长约6.2厘米，宽约2.65厘米，高约1.5厘米。

图16 POE电源模块

由于POE电源是通过网络端口供电的，所以这个模块并没有专门设计一个网络端口来供电，而是使用了“硬件10万为什么”提供的开发板。这个开发板是用来编程物联网的，属于工业和学习用的开发板。可以利用开发板实现wifi、GPRS、蓝牙、串口、LORA、POE等功能。所以直接选择这个开发板实现网口供电。图17显示了网络电源端口。