キーワード: Power over Ethernet, PoE, 受電側機器, PD, MAX5951, IEEE 802.3af, PWM, パルス幅変調器
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リファレンスデザイン4162
に含まれる内容：
PWMコントローラMAX5941Bを用いた受電機器(PD)モジュールのリファレンスデザイン
要約：このアプリケーションノートでは、12.95Wの出力を調整可能な、IEEE® 802.3af準拠の受電機器モジュールのリファレンスデザインを示します。12cm²のPCB上に実装されたモジュールはPWMコントローラMAX5941Bを用いています。またホットスワップ電力スイッチング、DC-DCコンバータ、および一対のORingダイオードブリッジを内蔵し、12Vの外部アダプタに対応しています。この記事では、モジュールの性能について詳述し、設計のための回路図、PCBレイアウト、および部品リストを記載します。
概要
このアプリケーションノートでは、Power over Ethernet (PoE )アプリケーションのための、IEEE 802.3af準拠の受信機器(PD)モジュールを紹介します。MAX5941B PoEインタフェース/PWMコントローラを用いたこのモジュールは、検出シグネチャ、構成可能な分類シグネチャ(オプション)、プログラム可能な低電圧ロックアウト(UVLO )を備えたPD、およびプログラム可能な突入電流制御付きアイソレーションスイッチを提供します。PCB 上に実装され、ホットスワップ電力スイッチング、DC-DC コンバータ、および一対のORingダイオードブリッジを内蔵し、12Vの外部アダプタに対応しています。つまり、IP電話、ワイヤレスアクセスノード、およびセキュリティカメラなどのPDに、固定周波数のDC-DC絶縁電源を実装するのに必要なすべての機能を提供します。標準的なアプリケーション
MAX5941B PDモジュールは、数多くのアプリケーションで使用することができます。図1 では、スイッチから出力されたデータがミッドスパンの入力に接続される代表的なアプリケーションを示しています。その後、ミッドスパンはPoEをサポートする各出力上のデータに電力を供給します。図1. 標準的なアプリケーションでは、スイッチから出力されるデータはミッドスパンに接続されます。これによって、電力がデータに追加され、Ethernetを介して電力が供給されます。 特長
IEEE 802.3af準拠
36V～60Vの入力電圧範囲
12V/1A出力
最小負荷要件がない
小型SILパッケージサイズ
出力リップルおよびノイズが小さい
高効率の受電機器
外付けコンデンサが不要
出力電圧が調整可能
低コスト
1500V絶縁(入力から出力まで)
12Vの外部ACアダプタで使用するオンボードORingダイオード
端子説明
図2. ピン配置 表1. 端子説明
Pin Number
Name
Description
1
VA1
Rx Input (1) This input pin is used in conjunction with VA2 and connects to the center tap of the transformer connected to pins 1 and 2 of the RJ45 connector (Rx)—it is not polarity sensitive.
2
VA2
Tx Input (2) This input pin is used in conjunction with VA1 and connects to the center tap of the transformer connected to pins 3 and 6 of the RJ45 connector (Tx)—it is not polarity sensitive.
3
VB1
Direct Input (1) This input pin is used in conjunction with VB2 and connects to pins 4 and 5 of the RJ45 connector—it is not polarity sensitive.
4
VB2
Direct Input (2) This input pin is used in conjunction with VB1 and connects to pins 7 and 8 of the RJ45 connector—it is not polarity sensitive.
5
CP1
Class Programming (1) Connecting an external resistor to CP2 will change the current class of the module. With no resistor fitted the module will default to Class 0.
6
CP2
Class Programming (2) Connecting an external resistor to CP1 will change the current class of the module. With no resistor fitted the module will default to Class 0.
7
GND
Ground The ground return for the output.
8
VOUT
DC Output This pin provides the regulated output voltage from the DC-DC converter.
9
ADJ
Output Adjust The output voltage can be adjusted from its nominal output by connecting an external resistor from this pin to either the VOUT pin or GND pin.
10
N.C.
No Connection This pin is not connected internally.
電力分類
電力分類は、PDが給電機器(PSE)に電力要件を示すためのオプションの方法です。図3 に示すように、MAX5941Bモジュールは、CP1とCP2のピンの間に抵抗を接続することによって、外部から電流クラスをプログラムすることができるようにしています。抵抗を装着しない場合、モジュールはデフォルトでクラス0に設定されます。表2 はプログラム抵抗値の全リストです。図3. 電力区分を設定するためにピンCP1とCP2の間に抵抗を接続 表2. パワークラスをプログラムするための抵抗値
Class
Programming Resistance (Ω)
Minimum Power (W)
Maximum Power (W)
0
Do not fit
0.44
12.95
1
770
0.44
3.84
2
388
3.84
6.49
3
242
6.49
12.95
4
161
Reserved
Reserved
出力調整
MAX5941B PDモジュールは、公称値から上下にずれる出力電圧を調整する、ADJピンを備えています。出力電圧を調整するには、ADJピンと、GNDピンまたはVOUT ピンのいずれかの間に抵抗を接続します(図4 )。式1および式2は、所望の出力電圧を上下に調整するのに必要な抵抗値を算出しています。TRIM_UP は、上側に調整される所望の出力電圧で、VTRIM_DOWN は、下側に調整される所望の出力電圧です。図4. 出力電圧を調整するには、ADJとGND (上側に調整)、またはADJとVOUT (下側に調整)の間に抵抗を接続します。 図5A. 上側に調整された出力電圧曲線 図5. 下側に調整された出力電圧曲線 12Vの外部アダプタを備えた標準的な接続
従来、図6 に示すように、PDはアダプタを同時に使用し、ダイオードは各出力端に直列に接続します。図6. 従来のソリューションでは、ダイオードを各出力端に直列に配置した状態で、受電機器をアダプタに接続します。 図7 はボード上のORingダイオードD1の配置を示します。図7. MAX5941B PDモジュール上の内部ダイオードD1の位置 図8 に示すように、モジュールは外付けコンデンサを1つだけ必要とします。最小でも1µFのセラミックコンデンサを推奨します。図8. GNDとVOUT の間に外付けコンデンサを接続した状態の標準的な接続図 電気的特性
表3. 絶対最大定格
Parameter
Min
Typ
Max
Units
DC Supply Voltage
-0.3
60
V
DC Supply Voltage Surge for 1ms
-0.6
80
V
Storage Temperature
-40
+100
°C
｢絶対最大定格｣に挙げた値を超えるストレスが加わると、モジュールに永久的な損傷を生ずるおそれがあります。これらの値はストレス定格専用であり、ここに示された条件またはそれを超えるその他のいかなる条件においてもモジュールが正しく機能することを示すものではありません。長期間、絶対最大定格条件下に晒されると、モジュールの信頼性に影響する可能性があります。 表4. 推奨動作条件
Parameter
Min
Typ
Max
Units
Input Supply Voltage
36
48
60
V
Undervoltage Lockout
30
36
V
Operating Temperature
-40
25
+85
°C
表5. DC電気的特性
Parameter
Min
Typ
Max
Units
Nominal Output Voltage (Without the ORing Diode)
11.76
12
12.24
V
Output Current
0
1
A
Output Ripple and Noise
250
mV
Efficiency Without the ORing Diode (48V Input, 1A Output)
85
%
Efficiency with the ORing Diode (48V Input, 1A Output)
82
%
Isolation Voltage
1500
V
波形
図9. 出力リップルとノイズ 図10 起動とシャットダウン 図11. 負荷過度応答 部品リスト
表6. 部品リスト
Designation
Qty
Description
C1, C2, C6, C17
4
10µF 25V ceramic capacitor 1206
C3
1
6800pF 100V ceramic capacitor 0603
C4
1
100pF 50V ceramic capacitor 0603
C5, C7, C23
3
0.1µF 50V ceramic capacitor 0603
C9
1
10µF 100V aluminium electrolytic capacitor
C10
1
1000pF 1.5kV ceramic capacitor 1808
C12, C25
2
0.1µF 100V ceramic capacitor 1206
C13
1
220µF 25V aluminium electrolytic capacitor
C14
1
1000pF 100V ceramic capacitor 0805
C19
1
2.2µF 10V ceramic capacitor 0603
C22
1
680pF 50V ceramic capacitor 0603
C28
1
4700pF 50V ceramic capacitor 0603
D1, D2
2
Bridge rectifier DIODES HD01-T
D4, D6
2
Diode 200mA 250V SOD323 DIODES BAV21WS
D5, D13
2
60V Schottky rectifier SMA DIODES B360A
D7
1
SMT LED Lamp 0603 FAIRCHILD QTLP600C-Y
D8
1
Transient voltage suppressor DIODES SMAJ54A
R1
1
20Ω ±1% resistor 0603
R5
1
270mΩ ±1% resistor 1206
R9
1
470Ω ±1% resistor 0603
R10
1
10Ω ±1% resistor 1206
R11, R17
2
10kΩ ±1% resistor 0603
R12
1
20kΩ ±1% resistor 0603
R14
1
25.5kΩ ±1% resistor 1206
R15
1
Not used
R16
1
0Ω ±1% resistor 1206
R18
1
1kΩ ±1% resistor 0805
R22
1
9.53kΩ ±1% resistor 0603
R23
1
2.49kΩ ±1% resistor 0603
R24, R31
2
2.5kΩ ±1% resistor 0603
R25, R27
2
1kΩ ±1% resistor 0603
R26
1
4.75kΩ ±1% resistor 0603
R28
1
33kΩ ±1% resistor 0805
R30
1
4.7Ω ±1% resistor 0805
Q1
1
MOSFET 150V SO-8 IR IRF7465TR
U2
1
IC Optocoupler NEC PS2801-1-F4-R-A
U3
1
IC VREF 2.5V 0.4% SOT-23 AAC AZ431AN-A
U5
1
PWM controller for PD MAXIM MAX5941BESE
T1
1
Transformer NP :NS :NB = 35:16:20 LP = 122µH
GA3271-AL Coilcraft
トランスの設計
図12. トランスの電気回路図 表7. 電気的仕様
Parameter
Conditions
Value
Electrical Strength
50Hz 1 minute, from pins 1–3, 10–12 to pins 5–8
1500VRMS
Primary Inductance
Pins 1, 12; all windings open. Measure at 275kHz
120µH ±10%
Primary Leakage Inductance
Pins 1, 12; rest of pins shorted. Measure at 275kHz
3µH (max)
表8. 部品
Item
Description
1
Core: EFD15, PC40. Manufacturer: TDK
2
Bobbin: EFD15 coil former (SMD ), 12 pins
3
Tape: 8.9mm wide insulation tape
4
Magnet wire: 0.25mm diameter with 150°C
5
Magnet wire: 0.27mm diameter with 150°C
6
Magnet wire: 0.10mm diameter with 150°C
7
Varnish
Note
All wires include insulation
図13. トランスの構造図 表9. トランスの構成
Step
Description
Primary NP1
Start at pin 1. Wind 35 turns of item 4 in approximately 1 layer. Finish on Pin 12
Insulation
Use 1 layer of item 3 for insulation
12V Winding
Start at pins 6 and 5. Wind 16 turns of 2 parallel strands of item 5. Finish at pins 7 and 8
Insulation
Use 1 layer of item 3 for safety insulation
Primary NP2
Start at pin 2. Wind 35 turns of item 4 in approximately 1 layer. Finish on pin 11
Insulation
Use one layer of item 3 for safety insulation
Bias Winding
Start at pin 3. Wind 20 turns of item 6. Spread turns evenly across bobbin. Finish at pin 10
Outer Wrap
Wrap windings with 2 layers of item 3
Final Assembly
Assemble and secure core halves. Varnish impregnate with item 9
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MAX5941B IEEE 802.3af準拠、受電側機器(PD)用、Power over Ethernetインタフェース/PWMコントローラ
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