LM5070控制器及其在以太网电源管理器中的应用

LM5070控制器及其在以太网电源管理器中的应用

解放军电子工程学院 马国胜

引言

对于宽带网络电话来说，采用不间断电源 (UPS) 的标准可保证供电更稳定可靠，以及较少出现供电电压浪涌、盗用、中断或断线等情况；对于无线接入点（AP）系统来说，这些系统也无需加设交流电源、供电线路或输出口。采用以太网供电技术的电源管理芯片具备远程通电/断电功能，确保电源管理工作可以发挥极大的灵活性。以太网馈电系统可以利用以太网的电缆及输入/输出端口为宽带网络电话、保安系统闭路电视摄像机、无线局域网 (WLAN) 节点以及乐器等供电。目前市场上同类的解决方案都需要采用两至三颗芯片，但美国国家半导体的 LM5070 则是业内首款设有电源管理接口端口及脉冲宽度调制器(PWM)，而且符合 IEEE 802.3af 技术标准的单芯片控制器，该芯片专为可支持以太网馈电 (PoE) 的电子产品而设计，可大幅精简这类产品的设计。此外，这款控制器芯片还设有 80V/400mA 的线路连接开关、相关的以太网馈电接口电路以及可将 48V输入电压降低至适合不同负载采用的DC-DC控制器。

LM5070 芯片采用美国国家半导体的 ABCD150-XV1 高电压模拟双极 CMOS/DMOS 工艺技术制造。这款高度集成的产品优点较多，例如内置采用电流模式的高频DC-DC控制器，此外，用户也可自行设定欠压阈值及磁滞，而故障电流控制环路则具有较高的准确度。这款芯片的操作电压可达75V，振荡器频率则高达 1MHz，而且可由用户自行设定，其他的特色还有过热保护以及适用于非绝缘系统的电压参考电路和高性能误差放大器。

LM5070的主要特点及引脚功能

LM5070电源管供应器接口端口和脉宽调制 （PWM）控制器在PoE系统中，为受电设备（PD）提供一个完全综合的解决方案。LM5070内置采用电流模式的高频DC-DC控制器，结合80V/400mA的线路连接开关，完全符合IEEE 802.3af 标准的电源供应器接口端口。具有内部供电排序功能，PoE电源管理芯片的接口与DC-DC转换器之间的通讯可在LM5070芯片内部进行。LM5070性能良好，支持PoE应用的单芯片PD接口，适用于宽带网络电话、局域网、远程闭路电视保安摄录系统、无线接入设备、扫描卡阅读器以及电信设备的48V电源供应控制系统。

其特点是：

完全符合IEEE 802.3af标准的电源供应器接口端口；

内置80V、1 、400mA的MOSFET；

可调节浪涌电流限幅；

检测电阻断路功能；

可调节分级电流；

可设定欠压阈值及磁滞；

过热停机保护功能；

电流模式脉冲宽度调制器；

可支持绝缘和非绝缘应用；

针对非绝缘应用设有误差放大器及电压参考电路；

可调节振荡频率；

可调节软启动；

限制占空比为80%，提供斜率补偿（ 80芯片）；

限制占空比为50%，不提供斜率补偿（ 50芯片）；

可输出800mA峰值电流的门极驱动器；

采用TSSOP-16或LLP-16封装（5mm 5mm）。

LM5070的外引脚图如图1所示，各引脚功能见表1。

LM5070的内部结构及原理

LM5070采用LLP-16或TSSOP-16封装，包含一个PWM控制器、可编程欠压阈值及磁滞电路、标记电阻断接、内部电源开关和电源时序电路，协调LM5070芯片中的PD接口与给负载供电的DC/DC步降控制器之间的运行。PD接口端口的主要性能有检测、分级、调节浪涌电流限幅、过热保护、设定欠压锁定点以及电流限幅监测。该芯片还有一个操作范围可达75V高压启动偏压调节器，其开关电源（SMPS）的控制端口含有灵敏电源、VCC调节器欠压锁定、占空电流限制、误差放大器、斜坡补偿、软启动及振荡器同步性能。这个高速BiCMOS IC总传播延迟小于100ns，并可用一个外置电阻来设定1MHz的振荡器。为DC-DC转换器拓扑（像回扫和前向拓扑）提供单独的驱动输出，LM5070 PWM控制器还为此提供电流模式控制。LM5070 PWM具备电流模式控制的所有优点，包括馈电线路传送、占空电流限制、简易电路补偿，若振荡器斜坡减弱，可启动PWM比较器提供斜率补偿，限制占空比大于50%时，提供斜率补偿（ 80芯片）。 其芯片原理框图及PWM控制器内部框图如图2、图3所示。

LM5070的设计及应用

LM5070 是一款非常独特的芯片，由于其独特的功能，因此很容易融入现有的系统设计之中。

欠压锁定 (UVLO) 阈值及磁滞：系统设计工程师可以自行设定欠压锁定的跳转点及磁滞，以便控制线路的启动电流，以及为不同系统设定通电及断电的电压点。

浪涌电流设定：系统设计工程师可以利用这个功能全面控制浪涌电流的瞬态响应，他们只要通过连接 RCLP 管脚的外置电阻，便可按照所要求的电流量设定其浪涌电流瞬态响应。工程师若保留预设的 375mA 浪涌电流极限，便无需加设外置元件，只需将 RCLP 管脚置于开启状态便可。
内部供电排序功能：系统设计工程师无需通过“供电正常”信号或任何外置通信接口控制DC-DC控制器系统。PoE 电源管理芯片的接口与DC-DC转换器之间的通信可以完全在LM5070 芯片之内进行。

控制系统已绝缘或未经绝缘的DC-DC转换器：转换器内含高的电压基准电路及误差放大器，确保非绝缘转换器可以提供DC-DC反馈。此外，这款转换器也可为隔离系统设计的光耦提供供电。

检测电阻联系中断功能：电源管理芯片进行检测之后，25KW标记电阻的联系便会中断，以免浪费功耗，降低效率。

可编程振荡器频率：这款开关稳压控制振荡器可以完全由用户自行设定，因此有助精简电源供应控制环路的设计，让用户可以进一步加强系统的稳压性能。

LM5070 芯片典型应用电路如图4所示。

LM5070在二极管整流绝缘输出中的应用电路如图5所示

结束语

由于支持以太网馈电的电源管理芯片无需采用装贴式电源供应器，因此有助节省系统的整体成本。对于宽带网络电话来说，采用不间断电源 (UPS) 的标准可保证供电更稳定可靠，以及较少出现供电电压浪涌、盗用、中断或断线等情况。此外，世界各地普遍采用 RJ-45 电源供应连接器，为以太网馈电电源供应器芯片提供性的兼容保证。对于无线存取点系统来说，这些系统也无需加设交流电源、供电线路或输出口。采用以太网馈电技术的电源管理芯片具备远程通电/断电功能，确保电源管理工作可以发挥极大的灵活性。