origin link: https://maker.wiznet.io/Alan/projects/raspberry%2Dpi%2D5%2Dpoe%2Dhat/?serob=rd&serterm=month

Overview

Raspberry PI 5とWIZnetを接続するプロジェクトを行いましょう。
しかし、Raspberry Pi 5はまだ購入していないため,Raspberry Pi 4で進めます。

8WクラスのPoEの開発に続き、今回はIEEE 802.3atの30WクラスのPoE製品を作ります。

Raspberry PI 4には多電流を使う場合に発熱する問題があります（もちろん、多くの電流を使う場合に限ります）。
そのため,ケースにクーラーを使用しています。

私たちの会社も、このようなケースが装備されているRaspberry PI 4を検討しましたが、それは問題がありました。

どのようなクーラーケースを装着しても、I/Oヘッダーはブロックされないため、I/Oヘッダーのみで使用できるモジュールを作るべきだと考えました。

実際に、このようなPoEとPoE+ HATが市場に出ています。しかし、私がやりたいことは、WIZnetチップから電力を得て、Raspberry PI 4の既存のイーサネットと2ポートとして使用できるモジュールを作ることです。

回路はこのように構成されています。
まず、コスト効率は良くありません。初めて作るPoE+なので、うまくいけば徐々にデバイスを変更する予定です。
まず、頑丈でうまく機能すると思ったので、思い切って良いデバイスを使用しました。

Device selection

IC

方法はフライバック方式で、ICはPower IntersectionのDPAシリーズを使用します.
高価ですが、多くの保護機能があるため気に入っています。（欠点：検出回路を別途装飾する必要があります。）

RS-45

UDEとTRXの製品の間で選んでいます。決めたものはピン・トゥ・ピンなので、両方試して特性が良い方を選ぶつもりです。内部回路はあまり変わりません。しかし、UDEのRJ-45の利点は、内部に整流回路があることです。（ただし、特性は劣化すると思います。）

Trans

展示会で知り合った会社を通じてカスタマイズすることができました。親切に無料でサンプルを送ってくれてありがとうございます。
サイズは予想よりも大きかったです。巻き比は一次側：二次側：Aux=1:0.5です。インダクタンスは49uHで、リークインダクタンスは1.0です。

**ちなみに、トランスを製造する会社はPower Interventionを好まなかった。EMI REが大きすぎると出ています。内部振動が激しいとも聞きましたが、スイッチング周波数が300kや400kを超えるため、簡単に捉えるのは難しいと思いました。周波数が高いため、後ろで小さいCを取ることができ、コンパクトでなければならない私のプロジェクトにはぴったりです。

シンプルでした。実際、デバイス選択以外に難しいことはなく、迅速に進めることができました。難しいのは、組み立ててからデバイスを切り替えてデバッグするときに始まります。

Design

Circuit design

シンプルでした。実際、デバイス選択以外に難しいことはなく、迅速に進めることができました。難しいのは、組み立ててからデバイスを切り替えてデバッグするときに始まります。

Artwork

すぐにきれいに作りました。
左側が表面で、右側が裏面です。デバイスが大きいため、大きすぎるように作られましたが...
でも、テストボードなので、すぐに注文しました。

おそらくこれが、Raspberry PI 4に取り付けたときの様子です。

PCB assembly

PCBが到着したら、すぐにヘッダーとRJ-45を組み立てました。機械に取り付ける必要があるので、まず確認が必要です。

良いフィット感です。しかし、皆さんも同じように感じると思います... 大きすぎます。

コネクタも非常にきれいにフィットします。うまく機能することを願っています。

組み立てが行われました。

組み立て完了。デバッグを行い、少し問題があったので、ジャンパーを接続しました

これが裏面です。WIZnetのロゴが潰れました。トランスフォーマーの設計者が間違ったトランスを作ったため、実行したところ、すぐに爆発しました。（本当に驚きました、大きな音とともに爆発しました...）
彼らはすぐに正常なサンプルを再作成してくれたので、テストを進めることができました。

PoE検出回路が正しい電圧で動作する前にテストするため、電源を使ってデバッグを開始しました。
この過程で、オシロスコープが絶縁されていなかったため、トランスフォーマー内の整流ダイオードが続けて爆発しました。

波形は良くなかったですが、電源を使って25Wまで正常に動作することを確認した後、検出回路を検証するためにPSEに取り付け、正常に動作しました。リンクLEDとアクトLEDが正常に点灯することが確認されました。

そして、Raspberry Pi 4に取り付けました。見た目はあまり綺麗ではありません...

イーサネットコネクタはきちんと配置されましたが、PCBが大きすぎるため、側面の形が少し変です。

それでも、Ethernet通信が動作することが確認されました。

エイジングテストは、25Wのフルロードで行われました。

Raspberry Pi 5

ついに、Raspberry Pi 5がリリースされました。

これで、Raspberry Pi 4で行われたPoE+のモジュールを、Raspberry Pi 5からアップグレードされたかのように進めることになります。

出力段のコンデンサーの不足を非常に感じたため、2つの大きな電解コンデンサーを追加設計しました。値を直接変更して適切な値を見つけます。また、スナバー回路の抵抗とコンデンサーのサイズをわずかに増加させました。

アートワークが完了したようです（ポリゴンを除く）。できるだけ大きなクーリングファンを取り付けたかったのですが、30x30に決定しました...
そして、MIPIコネクタも使用できるように作成されました。

このボードは、WIZnetチップを使用してイーサネットを使用するように設計されています。もちろん、既存のイーサネットも使用できます。さらに、WIZnetコネクタだけでなく、既存のイーサネットコネクタを通じても使用できるPoE+まで使用できるように設計されました。

重要なのは、冷却がどれだけうまく機能し、パフォーマンスがどれほど良いかになるでしょう。

RPiが提供するRaspberry Pi 5のステップファイルを3Dで私のボードに試してみました。3Dライブラリがないものが多いため、このような見た目になりますが、悪くないと思います。

ボードが到着したら、次の記事で続けます。