如何设计树莓派4B上的POE电路

POE即PowerOverEthernet，是指无需使用额外电源线而通过以太网网线供电的方案。此方案广泛应用于安防摄像头，网络视频存储等场合。POE标准的发展过程经历了2003年IEEE802.3af标准的发布，2009年IEEE802.3at的发布，以及2018年IEEE802.3bt标准的发布。在POE的系统架构分为PSE（PowerSourcingEquipment）和PD（PowerDevice）两部分。IEEE802.3af（我们常称其为Type1）对应的功率等级为PSE=15.4w，PD=13w.IEEE802.3at（我们常称其为Type2）对应的功率等级为PSE=30w，PD=25.5w，IEEE802.3bt（Type4）对应的功率等级为PSE=90w，PD=71w。

POE供电的具体过程如下：

Detection：PSE发送一个电压给PD，通过PD端的24.9kohm的电阻来判断有无有效PD存在。在这个过程中电压为2.7v~10v。（TI芯片是4点检测相对2点检测可靠性更高一些）

Classification：detection之后，PSE会加14.5v~20.5v的电压在PD端，通过检测CLS电阻上的电流判断PD的功率等级。

Powerup：检测和分级都正常之后会进行上电。

下图为TPS23753A上电的实际过程波形，芯片进行4点检测，随后进行了分级和上电。

Bt因为功率比at大分级会有所不同，会有两个分级电阻，并进行5次分级检测来实现90w的分级，如下图。

PD方案主要由两部分组成，PD握手芯片和反激/正激控制电路。目前TI的在市面上应用的PD方案有很多，有集成的方案：如TPS23755，TPS23753A，TPS23756等。其中TPS23755是TI最新面市的af标准芯片，集成了PD握手芯片，反激控制器和功率开关管。使用原边反馈控制模式有效降低了副边反馈回路的成本和PCB板的面积。同时使用CCM控制模式，相对于常规DCM控制，明显提高了系统的EMI性能，可以帮助客户省去输入端的共模滤波电感有效降低系统成本和尺寸。虽然使用原边反馈控制方式，依然可以达到较好的负载调整率。因此TPS23755很适合小功率小体积低成本的IPC应用。TPS23753A和TPS23756分别是针对af和at标准的副边反馈方案。

分立的方案本文着重介绍at和bt。TPS2378+LM5155是符合at应用的主流方案，LM5155是TI2018年最新面市的反激控制器方案，有很多有特点的功能，比如输出短路保护的hiccup功能，比如过流点补偿功能以实现不同输入电压下输出限流点不变，同时极低的电流采样电压很好解决了采样电阻发热的问题。TPS2373-4+UCC2897A是符合bt应用的主流方案。TPS2373-4是符合bt标准的PD芯片。UCC2897A设计的有缘钳位正激电路可以实现90W的功率输出（可以参考TI参考设计PMP6547）。另如果需要输出短路hiccup功能，也可以考虑使用LM5025A替换UCC2897A。这种大功率的方案主要应用于大功率球机等产品中。