可編程的恆定電源折返的製作方法

2023-05-29 15:25:01

專利名稱：可編程的恆定電源折返的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源系統，尤其涉及為電源系統，如乙太網供電系統，提 供折返電流限制的電路與方法。
背景技術：
通常，網絡設備，如IP電話機、無線區域網接入點、個人計算機和網絡攝
像機等，都需要兩個連接點 一個連接到區域網上，另一個連接到電源系統上。 乙太網供電系統(PoE)免除了為網絡設備供電所需的額外的插座和電纜。相反 的，PoE系統能夠通過傳輸數據的乙太網電纜為網絡設備供電。
PoE系統必須支持IEEE 802. 3af標準，該標準規定了供電設備(PSE )通過 非屏蔽雙絞乙太網電纜向受電設備(PD)供電的方式，其中供電設備和受電設 備分別位於鏈路的兩端。如同IEEE 802. 3af標準中規定的，供電設備和受電設 備是非數據實體，允許網絡設備在傳輸數據所用的電纜上提供電源(supply power)和抽運電源(draw power)。在電學角度上，供電設備是與電纜物理連 接並給鏈路提供電源的設備。供電設備設備通常是乙太網交換機、路由器、集 線器或者其它網絡交換設備或中間跨接設備。受電設備是抽運電源或請求電源 的設備。受電設備可以是數字IP電話機、無線網絡接入點、掌上電腦(PDA) 或筆記本電腦擴展塢、行動電話充電器和空調系統溫控器。
PSE設備的主要功能是為請求電源的受電設備尋找鏈路，為受電設備進行 分級(此功能是可選的)，檢測到受電設備後為該鏈路提供電源，監控該鏈路 上的電源，當不再請求或者需要電源時斷開電源。通過提供一個IEEE 802. 3af 標準規定的PoE檢測籤名，受電設備也參與了受電設備;^測程序。如果檢測籤名有效，那麼該受電設備可以選擇為供電設備提供一個分級籤
名以表明上電後要抽運多少電源。 一個受電設備可被分為0級 4級。l級受電 設備需要供電設備提供至少4. OW的功率，2級受電設備需要供電設備提供至少 7. OW的功率，0級、3級和4級受電設備需要至少15. 4W的功率。根據已經確定 的所述受電設備的級別，供電設備向所述受電設備提供所請求的功率。
通路元件，比如MOSFET，可以作為供電設備和受電設備之間的開關。在加 電和短路的情況下，MOSFET的功耗要比標稱電源下的功耗高的多。為了限制功 耗，IEEE 802. 3af標準^見定了一種折返機制。特別地，該標準規定在啟動模式 時，當埠電壓在IOV至30V之間時， 一個輸出電流的最小值為60mA。 當埠電壓大於30V時，啟動模式下的電流4^要在400mA至450mA之間。上 述400mA到450mA的要求需保持r皿時間，即50ms 75ms。
圖l給出了 IEEE 802. 3af折返要求的示意圖。特別地，圖1中的灰色區 域示出了 IEEE 802. 3af標準所不允許的供電設備的輸出電壓和輸出電流的組 合。圖1中的黑色線示出了一種可能的折返曲線，其中，輸出電壓大於30V時， 所述供電設備的輸出電流在400mA至450mA之間，當輸出電壓小於30V時，輸 出電流逐漸下降。上述電流限制折返技術被用於限制功耗，進而限制所述通路 元件的尺寸和成本。
然而，對於一個能夠為所述受電設備提供高於IEEE 802. 3af標準要求的電 源的高電源(power )供電設備而言，其電流限制也應該高於IEEE 802. 3af標 準所規定的400mA- 450mA電流。由於較高的電流導致較高的MOSFET功耗，所 以就需要一個較大的通路元件。這進而導致供電設備製造者的付出較高的成本。
因此，在高電源供電設備中需要釆用 一個折返機制以便降低通路元件的功耗。

發明內容
本發明公開了 一種實現折返的新穎的系統和方法。根據本發明的一個方
面， 一種為負載提供電源的系統包括 一個通路元件，用於提供與所述負載的 連接； 一個電流限制電路，用於防止提供給所述負載的電流超過電流閾值；一 個折返電路，用於根據預設條件修改電流閾值。所述折返電路被配置成根據所 述通路元件的一個近似安全的工作區域來改變所述電流閾值。
例如，為了支持IEEE 802. 3af標準，當所述負載上的電壓低於一個預設值 時，所述折返電路能夠減小所述電流閾值。
所述折返電路能夠監控所述負載上的電壓和/或所述通路元件上的電壓以 便相應地改變所述電流閾值，從而使所述通路元件的直流功耗保持在一個基本 恆定值。所述直流功耗的基本恆定值相當於所述通路元件安全工作時的功耗的 最大值。
根據本發明的一個實施例，當所述負載上的電壓位於第一電壓值和第二電 壓值之間時，所述折返電路能夠將所述電流閾值保持為第一電流閾值，例如 IEEE802. 3af標準規定的電流閾值。
當負載上的電壓低於第一電壓值時，所述電流閾值可以減小到低於第一電 流閾值。例如，所述折返電路能夠監控所述負載上的電壓以便將所述電流閾值 減小到低於第一電流閾值。
當負載上的電壓大於第二電壓值時，所述電流閾值可以增加到大於第一電 流閾值。所述折返電路能夠監控所述通路元件上的電壓以便將所述電流閾值增 加到大於第一電流閾值。
當所述電流閾值根據所述第一電流閾值進行調節時，所述折返電路能夠對 所述安全工作區域的各個部分進行線性逼近。一個折返控制電路能夠控制所述折返電路以便選擇所述電流閾值的變量值
特別地，為了最大化地利用特定通路元件的安全工作區域(S0A)，所述折返控
制電路能夠編程所述折返電路從而使所述折返電路在一個特定應用中工作。 根據本發明的另 一方面， 一個通過通信鏈路為受電設備提供電源的系統，
如乙太網供電系統，包括具有一個輸出埠的電源設備，用於通過所述通信 鏈路為所述受電設備供電。電源是通過一個半導體設備提供給所述受電設備 的。 一個電流限制電路避免所述電源設備的輸出電流超出一個電流閾值，以及 一個折返電路根據預設條件改變所述電流閾值。所述折返電路被配置成能夠改 變所述電流閾值，從而使所述半導體設備的功耗保持一個恆定值。
所述折返電路能夠監控所述輸出埠的電壓和/或所述半導體設備上的電 壓以便改變所述電流閾值，從而使所述半導體設備的直流功耗保持一個恆定值。 特別地，所述折返電路能夠逼近所述半導體設備的安全工作區域。
根據本發明的一種方法，通過下述步驟實現向通過一個通路元件連接到供 電設備的負載的供電
-將提供給所述負載的電流限制在電流閾值內； -改變所述電流閾值使通路元件的功耗保持一 個恆定值。 所述電流閾值能夠改變以便逼近所述通路元件的安全工作區域。 從下面的詳細描述可知，本發明的其它優勢和方面對於本領域技術人員而 言是容易理解的，其中，本發明所公開的實施例通過圖例的方式只描述了實現 本發明的最佳實施例。正如下面所述，本發明能夠實現其它的不同的實施例， 本發明的幾個詳細內容能夠從各種各樣的顯而易見的方面非常容易的進行修 改，所有的這些修改都不違背本發明的思想。相應地，附圖和說明書只是示意 說明，不會限制本發明的保護範圍。


本發明公開的實施例的下述詳細描述都可以結合下述附圖得到很好的理解，其中，所述附圖中的技術特徵並不必然限定保護範圍，只是為了最佳的展示相關的技術特徵。
圖1是IEEE802. 3af標準的折返要求示意圖2是PoE系統中的供電示意圖3是本發明公開的一種折返機制示意圖4是一個通路元件的安全工作區域以及一個符合IEEE802, 3af標準的供電設備的折返曲線和一個高電源供電設備的折返曲線的示例；圖5是折返曲線逼近所述安全工作區域的示例；圖6是折返曲線線性逼近所述安全工作區域的示例。
具體實施例方式
本發明將採用一個PoE系統為例進行說明。然而應當明確的是，本發明所描述的概念能夠應用於任何一個通過通路元件為負載供電的系統。
圖2示意了在一個PoE系統10中， 一個供電設備12和一個受電設備14之間的各個電壓。特別地， 一個供電設備12的電源包括正極端子^p一和負極端子、p務。所述PSE設備12可以包括一個通路元件16，如功率MOSFET，所述通路元件16用於將所述受電設備14連接到所述供電設備或者將所述受電設備14從所述供電設備斷開。可以通過控制所述功率M0SFET16的柵極實現所述供電設備12對所述受電設備14的供電。施加在所述受電設備14上的電壓為 =^一-7一，其中，r一是施加在所述供電設備12的輸出埠的一個埠電壓。所述通路元件16的功耗屍，-^x"，其中^=^,-乙一_是施加在所述通路元件16上的電壓。當施加在所述受電設備14上的電壓P^下降時，施加在所述通路元件16上的電壓F,就會增加。
當所述受電設備14連接到所述供電設備12上時，例如在啟動模式下或者在短路條件下，所述通路元件16的功耗可能比提供常規電源時的功耗高得多。為了限制功耗，IEEE 802. 3af標準規定了一種折返機制。特別地，該標準規定，在啟動模式時，當埠電壓K一在IOV到30V之間時， 一個輸出電流(/, ^ )的最小值為60mA。當埠電壓r一高於30V時，/,"^的最小值應該位於400mA到450 mA之間。所述最小4^應該保持7^時間，其中r皿設置在50ms到75ms之間。
如圖3所示，所述折返機制包括一個折返電路102，所述折返電路102用於控制一個電流限制電路104，從而根據折返需要來控制所述供電設備12的埠電流/一。特別地，所述電流限制電路104監控所述埠電流/一，並將所述埠電流/一與一個電流限制闊值進行比較，從而使所述埠電流； 保持等於或
者小於所述電流限制閾值。
所述埠電流/一能夠通過確定靈敏電阻上的靈敏電壓得到監控，
所述靈敏電阻&^被連接到所述通路元件16 (如MOSFET)。所述電流限制電路104由包括一個運算放大器，用於將確定的所述靈敏電壓^_與一個代表所述電流限制閾值的參考電壓、,進行比較，從而使所述靈敏電壓保持等於或小於所述參考電壓^,。更具體的說，當所述靈敏電壓乙^隨著所述埠電流的增加而增加並接近於所述參考電壓、,時，所述運算放大器的輸出連接到所述MOSFET 16的柵極以減小所述柵極上的柵驅動電壓。因此，所述MOSFET 16的電阻增加，從而減小了所述埠電流；,,。所述電流限制電路104被所述折返電路102所控制，所述折返電路102能 夠改變所述參考電壓^/人而獲得一個所需要的/一值。所述折返電路102監控 施加在所述受電設備14上的電壓P^ -乙p咖-、。，和/或施加在所述通路元件16 上的電壓r，-r^,-^p^一。正如下文詳細描述的，所述折返電路102改變所述 電流限制閾值，以便通過所述通路元件16將功耗限制在一個與所述通路元件16 的安全工作區域(SOA)相應的水平。
通路元件的安全工作區域可定義為電壓和電流條件，通過所述電壓和電流 條件，所述通路元件能夠安全工作而不會出現由功耗導致的損壞，即所述安全 工作區域決定了所述通路元件安全工作的功耗值。所述通路元件16的功耗
= x/，。減小所述電流限制閾值也就減小了流過所述通if各元件16的所述 埠電流/-。為了限制所述通路元件16的最大功耗要求，所述埠電流； 應 該隨著施加在所述通路元件16上的電壓F，的增加而減小。這能夠降低所述通 路元件16的尺寸和成本。
圖4給出了一個適用於符合IEEE 802. 3af標準的供電設備的通路元件的SOA 示例。所述SOA指的是由所述埠電流/肖和所述埠電壓K一的變量值確定的
恆定功率曲線下面的區域。該功率曲線反映了所述通路元件16能夠安全工作時 的功耗屍，的最大值。此外，圖4還給出了符合IEEE 802. 3af標準的供電設備
和一個能夠提供高於IEEE 802. 3af標準要求的電源的高電源供電設備的折返電 流限制的示例。
在所述示例中，所述高電源供電設備的所述折返電流限制是符合IEEE 802. 3af標準的供電設備的兩倍，但兩者所允許的折返電壓值是相同的。因此， 所述高電源供電設備的所述通路元件的功耗也要求是符合IEEE 802. 3af標準的通路元件的兩倍。該功耗將會超出所示S0A。因此，這就需要一個較大的通路元件。
為了避免使用較大的通路元件，本發明公開的所述折返電路102採用允許 所述供電設備提供較高的電源同時又不與適用於符合IEEE 802. 3af標準的供電 設備的通路元件的SOA相衝突的折返策略。如圖5所示，所述折返電路102能 夠規定所述電流限制閾值以便逼近所述通路元件16的SOA。特別地，所述折返 電路102能夠監控施加在所述受電設備14上的電壓f^和/或施加在所述通路元 件16上的電壓F，以便規定所述電流限制閾值，從而使所述通路元件16的直流
功耗保持一個恆定值。所述恆定直流功耗可以設置為所述通路元件16能夠安全 工作的一個值，例如等於或者小於與所述通路元件16的SOA相對應的所述恆定 功率曲線。
為了實現所述的折返策略，所述折返電3各102可以確定與所述電壓F^和/ 或所述電壓r，成函數關係的所述參考電壓^,以便在所述通路元件16的S0A內 提供一個恆定的直流功耗。所述折返電路102可以包括邏輯電路(如多路選擇 器)和其它用於確定所述參考電壓^,的元件。可選地，所述折返電路102可以 採用一個通用數位訊號處理器和適當的編程實現。
所述折返機制可以進一步包括一個用於控制所述折返電路102的控制邏輯 電路106。特別地，所述控制邏輯電路106能夠在特定應用中對由所述折返電路 102產生的所述電流限制曲線進行編程，從而允許系統設計者最大化地利用特定 通路元件的S0A 所述控制邏輯電路106能夠對由所述折返電路102產生的所述 電流限制曲線的斜率、中間值和最終值進行編程。
圖6給出了另 一種採用折返電流限制的折返策略，所述折返電流限制提供 所述安全工作區域的線性逼近。為了實現該折返策略，當所述r，電壓通過所述控制邏輯電路106的編程在^和^之間變化以便逼近特定通路元件16的安全工 作區域時，所述折返電路102能夠將所述電流限制閾值保持在IEEE 802. 3af標 準所規定的425mA。當所述r-電壓低於G時，所述電流限制閾值能夠線性減小 以便逼近所述安全工作區域的各個部分。當所述r一電壓高於^時，所述電流限 制閾值能夠線性增加以便逼近所述安全工作區域的各個部分。所述電流限制閾 值能夠一直增加直到其達到一個足夠大的值能夠使所述供電設備12設備向所述 受電設備14傳輸所需要的功率為止。例如，根據圖4所示的實施例，所述電流 限制閾值的上面部分可被設置為850mA。
為了實現圖6所示的折返策略，所述折返電路102能夠監控施加在所述受 電設備14上的電壓rra和/或施加在所述通路元件16上的電壓r，以便確定用於
確定所述電流限制閾值的所述參考電壓、/的值。例如，可以監控所述^。電壓以 確定所述閾值曲線的下面部分，可以監控所述r，電壓以確定所述閾值曲線的上 面部分。所述電壓^和^的值以及所述電流閾值線的斜率可以通過所述控制邏輯 電路106編程以便最大化地利用所述安全工作區域。
前面的描述示例並分析了本發明的各個方面。此外，本發明只描述了最佳 實施例，但是如前所述，應當理解的是本發明能夠用於各種其它的組合、修改 和環境並能夠根據所述的發明思想、上述實施例和/或相關的技能或知識進行各 種變形與修改。
進一步地，上述實施例只是為了示例實現本發明的最佳方式並使其它本領 域技術人員能夠利用本發明，因此，特定應用或使用所要求的其它的實施例以 及各種修改都是本發明的保護範圍。
相應地，本說明書並不將所述發明限制於本文所公開的形式。而且，應當 理解的是，附加的權利要求應當包括各種可選的實施例。
權利要求
1、一種為負載提供電源的系統，包括一個通路元件，用於提供與所述負載的連接；一個電流限制電路，用於防止提供給所述負載的電流超過電流閾值；一個折返電路，用於根據給定條件修改電流閾值；所述折返電路被配置為根據所述通路元件的一個近似安全的工作區域來改變所述電流閾值。
2、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，當所述負載上的電壓低於一個預設值時，所述折返電路被配置成用於減小所述電流閾值。
3、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述折返電路被配置成用於監控施加在所述負載上的電壓以便相應地改變所述電流閾值，從而使所述通路元件的直流功耗保持在一個基本恆定值。
4、 根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述直流功耗的基本恆定值相當於所述通路元件安全工作時的功耗的最大值。
5、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述折返電路被配置成用於監控施加在所述通路元件上的電壓以便相應地改變所述電流閾值，從而使所述通路元件的直流功耗保持在 一 個基本恆定值。
6、 根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述直流功耗的基本恆定值相當於所述通路元件安全工作時的功耗的最大值。
7、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，當施加在所述負載上的電壓位於第一電壓值和第二電壓值之間時，所述折返電路被配置成用於將所述電流閾值保持為第一電流閾值。
8、 根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，當施加在所述負載上的電壓低於所述第一電壓值時，所述折返電路被配置成用於使所述電流閾值減小至低於所述第一電流閾值。
9、 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述折返電流被配置成用於監控施加在所述負載上的電壓以便使所述電流閾值減小至低於第一電流閾值。
10、 根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，當施加在所述負載上的電壓高於所述第二電壓值時，所述折返電路被配置成用於使所述電流閾值增加至高於所述第一電流閾值。
11、 根據權利要求IO所述的系統，其特徵在於，所述折返電路被配置成用於監控施加在所述通路元件上的電壓以便使所述電流閾值增加至高於第一電流閾值。
12、 根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，當所述電流閾值根據所述第一電流閾值變化時，所述折返電路被配置為與所述通路元件的一個近似安全的工作區域相一致。
13、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統進一步包括一個折返控制電路，用於控制所述折返電路以便選擇所述電流閾值的變量值。
14、 一種通過一個通信鏈路向一個受電設備提供電源的系統，包括一個具有一個輸出埠的電源設備，用於通過所述通信鏈路向所述受電設備供電，所述電源設備被配置成通過一個半導體設備供電；一個電流限制電路，用於避免所述電源設備的一個輸出電流超出 一個電流閾值；一個折返電路，用於根據一個預設條件修改所述電流閾值；所述折返電路被配置成用於改變所述電流閾值，從而使所述半導體設備的功耗保持一個恆定值。
15、 根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述電源設備被配置成通過一個乙太網鏈路為所述受電設備供電。
16、 根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述折返電路被配置成用於監控所述輸出埠的電壓以〗更修改所述電流閾值。
17、 根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述折返電路被配置成用於監控施加在所述半導體設備上的電壓以便修改所述電流閾值。
18、 根據權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述折返電路被配置成用於使所述半導體設備的直流功耗保持一個恆定值，從而逼近所述半導體設備的一個安全工作區域。
19、 一種向通過一個通路元件連接的負載供電的方法，包括下述步驟將提供給所述負載的電流限制在一個電流閾值內；改變所述電流閾值使所述通路元件的功耗保持一個恆定值。
20、 根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，根據所述通路元件的一個近似安全的工作區域來改變所述電流閾值。
全文摘要
通過一個通路元件向與所述通路元件連接的負載供電的系統和方法。一個電流限制電路，防止提供給所述負載的電流超過一個電流閾值；一個折返電路，根據一個預設條件修改所述電流閾值。所述折返電路被配置為根據所述通路元件的一個近似安全的工作區域來改變所述電流閾值。
文檔編號H04L12/10GK101529799SQ200780033922
公開日2009年9月9日 申請日期2007年9月7日 優先權日2006年9月13日
發明者傑弗裡·琳·希思 申請人:凌力爾特有限公司