用於組合的乙太網供電系統的極性校正橋控制器的製造方法
2023-04-26 08:20:21 2
用於組合的乙太網供電系統的極性校正橋控制器的製造方法
【專利摘要】本申請涉及用於組合的乙太網供電系統的極性校正橋控制器。一種在使用乙太網供電(PoE)的被供電的設備(PD)中用於組合向負載供電的功率的系統，經由四對接線接收來自第一信道的功率和來自第二信道的功率。初始地不啟用用於每個信道的MOSFET橋。橋控制器IC同時感測所有電壓並且控制橋MOSFET。橋控制器IC也包含第一PoE握手電路。第二PoE握手電路在橋控制器IC外部並且獨立地操作。在MOSFET橋中的體二極體初始地將第一信道耦合到第二PoE握手電路，同時隔離第二信道。第二握手電路然後將第一信道耦合到負載。第一握手電路然後為第二信道執行PoE握手程序。最終，橋控制器控制橋MOSFET以將兩個信道耦合到負載。
【專利說明】用於組合的乙太網供電系統的極性校正橋控制器
【技術領域】
[0001]本發明涉及乙太網供電(PoE)，其中功率是通過數據線傳輸的。
【背景技術】
[0002]已知通過數據線向功率遠程設備發送功率。乙太網供電(PoE)是一個這樣的系統的示例。在PoE中，從乙太網交換機向乙太網連接設備(例如VoIP電話、WLAN發送器、安全攝像頭等)發送有限功率。通過標準CAT-5電纜布線中的兩組雙絞線發送來自交換機的DC功率。相同兩組雙絞線也可以發送不同數據信號，因為DC共模電壓未影響數據。以這一方式，可以消除為「被供電設備」(PD)提供任何外部功率源的需要。PoE的標準在IEEE802.3中闡述，其通過引用而結合於此。
[0003]通過數據線提供功率適用於其它現有系統和將來系統。IEEE或者其它團體可以標準化使用數據線供電的各種新系統。
[0004]雖然本發明可以應用於使用數據線供電的任何系統，但是將描述典型PoE系統作為示例。
[0005]圖1代表使用PoE的典型乙太網系統。在圖1的示例中，「功率供應設備」(PSE) 12可以是向ro供應功率和數據的任何乙太網設備。通常經由用標準乙太網8管腳(四個雙絞線)連接器端接的標準CAT-5線纜連接PSE12和H)14。通常需要雙絞線中的僅兩個雙絞線用於PoE和數據，因此有兩個備用雙絞線。
[0006]PSE12通常由市電電壓(120VAC)供電並且使用外部或者內部電壓轉換器16以生成在44-57伏特之間的DC電壓。PoE標準要求PoE在供應最小37伏特。沿著線纜的電壓降隨距離增加。
[0007]分配雙絞線中的兩個雙絞線18和20以輸送PoE功率，並且這些雙絞線也可以輸送差分數據。也示出其餘兩個雙絞線21和22。使用的所有雙絞線在H)14由變壓器、比如變壓器23和24端接。假設接線18提供44伏特並且接線20連接到接地。與變壓器23和24的中心抽頭產生連接以向H)14提供44伏特。由於DC電壓為共模，所以它未影響差分數據。在端接塊25中也包括其它常規端接電路裝置、比如極性校正電路裝置和開關。
[0008]向DC-DC轉換器26施加44伏特用於將電壓轉換成TO14需要的任何一個或者多個電壓。負載28 (例如安全攝像頭)由轉換器26供電並且經由雙絞線與PSE12通信。
[0009]IEEE標準需要在PSE12與TO14之間的某些低電流握手過程，以便檢測由PoE供電的設備的存在，以便在PSE12使全功率可用於H)14之前傳達PSE12和H)14的相關特徵。檢測/分類電路裝置30執行程序並且提供分類脈衝。PSE12也包含用於控制握手程序的電路裝置。
[0010]以下是在PSE12與roi4之間的握手協議的簡化概述。
[0011]在向roi4中插入啟用PoE的乙太網線纜時，PSE12詢問roi4以確定它是否啟用PoE0這一時段稱為檢測階段。在檢測階段期間，PSE12經由接線18和20向H)14施加第一電流有限電壓持續固定間隔、然後施加第二電流有限電壓持續固定間隔，同時通過檢測所得電流來尋找H)14的特徵阻抗(約25K歐姆)。如果未檢測到正確阻抗，則PSE12假設負載未啟用PoE並且關停PoE生成端。系統然後作為標準乙太網連接來操作。
[0012]如果檢測到籤名阻抗，則PSE12繼續可選分類階段。PSE12使得供給TO14的電壓上升。PSE12生成一個脈衝(指示它為類型1PSE)或者兩個脈衝(指示它為類型2PSE)。H)14對具有某些電流電平的分類脈衝做出響應以標識H)14是否為類型I或者類型2。類型Iro需要少於13W。類型2ro需要高至最大25.5W。也可以標識這些類型內的各自與最大平均電流電平和最大瞬時電流電平關聯的各種類(五類)。可以使用分類電阻。PSE12然後使用這一功率需求信息以確定它是否可以向roi4供應所需功率，並且roi4使用信息以確定它是否可以與PSE12進行全操作。有用於檢測和分類階段的最大時間窗(例如500ms)。
[0013]可以實施其它標準。
[0014]在完成檢測和分類階段時，PSE12使得它的輸出電壓上升至42V以上。一旦已經在roi4檢測到欠電壓封鎖(UVLO)閾值，接通內部FET以將全電壓耦合到DC-DC轉換器26以向負載28供電。在這一點，PD14開始正常操作，並且它只要輸入電壓保持於所需電平以上就繼續正常操作。
[0015]近來已經提出通過使用數據線18和20供應高至25.5W並且使用備用接線21和22供應高至25.5W經由四對接線18、20、21和22向供應高至5IW(或者更多)而仍然符合用於PoE握手的IEEE標準。
[0016]圖2圖示被Cisco Systems稱為通用PoE或者UPoE的提出的系統。PSEl和PSE2可以是常規類型2PSE，並且各自供應高至25.5ff(並且在一些提出的系統中高至30W)。各自跨接它們的關聯接線對44-47向單個TO50供應約44伏特。TO50使用常規8管腳乙太網連接器。PSEl和PSE2可以位於相同乙太網交換機51中，並且各自可以具有相同功率供應和檢測/分類電路裝置。PSEl和PSE2可以獨立地操作並且無需相互通信。
[0017]用於兩個信道中的每個信道的常規二極體橋極性校正電路52和53保證向負載56施加正確電壓極性、比如在頂部端子的44伏特和在底部端子的零伏特。
[0018]常規PD接口控制器58和59——一個用於每個信道——提供檢測電阻器60 (約25K歐姆)和可編程分類電流源61。在成功握手程序結束時，控制器58和60接通它們的相應MS0FET62和64以跨接負載56供應44伏特。負載56可以包括用於將44伏特轉換成負載56需要的任何電壓的DC-DC轉換器。示出M0SFET62和64的體二極體。
[0019]在另一現有技術實施例中，M0SFET62和64與接地導體而不是正電壓導體串聯連接，以產生用於單個信道的負載電流迴路。
[0020]控制器58和59以及PSE (PSEI和PSE2)獨立地和並行地執行它們的檢測和分類程序。由於假設PSEl和PSE2相同並且它們共享相同乙太網線纜，所以假設PSEl和PSE2向H)50的輸入供應的最終電壓相同(例如44伏特)。
[0021]需要額外一組二極體66和68以防止來自第一信道(例如PSEl信道)的功率向第二信道(例如PSE2信道)中饋送。這允許一個信道的檢測和分類參數未受另一信道影響。額外二極體66和68也允許「負電壓」橋二極體接通，因為如果不這樣來自一個信道的接地電壓將在M0SFET62或者64之一接通之後在另一信道中的「負電壓」橋二極體的正極，從而防止那些「負電壓」 二極體變成正向偏壓。
[0022]一旦已經接通M0SFET62和64，向負載56並行供應來自PSEl和PSE2的功率。這通常高至51w、但是可以高至60w。
[0023]因而在圖2的UPoE系統中，在每個信道的功率迴路中有三個二極體壓降，從而在約51w的最大負載功率引起共計約2.5w的浪費功率。圖2的系統中存在其它缺點。
[0024]需要的是一種用於用比現有技術更高的效率組合來自兩個PSE信道的功率的系統。
【發明內容】
[0025]PoE橋控制器IC控制MOSFET橋用於兩個PSE信道(PSE1信道和PSE2信道)的極性校正。通常，單個乙太網交換機提供PSE信道，並且可以提供多得多的信道。MOSFET橋將來自兩個信道的功率耦合到單個負載。如果PSE各自供應25.5W的類型2功率，則向負載施加的最大功率因此可以是51W。更高功率是可能的。使用單個ro接口控制器1C。跨接接通的MOSFET的電壓降比正向偏壓的二極體的電壓降少得多，因此有提高的效率。
[0026]PSEl和PSE2信道連接到橋控制器1C，從而橋控制器IC同時檢測來自兩個信道的電壓和跨接負載的電壓。如以下描述的那樣，控制技術防止一個信道幹擾另一信道的檢測和分類，並且允許恰當電壓極性耦合而未使用任何阻塞二極體。
[0027]將假設PSEl信道將首先連接到負載。具有包括PSEl和PSE2信道的多個埠的乙太網交換機通常逐個埠依次執行PoE握手程序。
[0028]PSEl信道為握手階段提供的電流有限電壓由組成如下MOSFET的體二極體校正極性(如果需要)，這些MOSFET組成用於PSEl信道的MOSFET橋。在這一階段期間不啟用用於PSEl信道和PSE2信道的橋M0SFET，並且橋控制器IC未汲取顯著電流。因此，橋控制器IC未乾擾用於PSEl信道的握手。正向偏壓體二極體將來自PSEl信道的電壓耦合到ro接口控制器(通常為單獨1C)。
[0029]PD接口控制器然後為PSEl信道執行常規檢測和分類。如果檢測到PSEl信道未提供恰當PoE信號，則接口控制器未閉合與負載串聯的M0SFET，從而PSEl信道功率路徑保持從負載隔離。如果PoE握手程序成功，則接口控制器閉合串聯MOSFET以將PSEl信道功率連接到負載。負載現在可以從PSEl信道接收高至25.5W。典型地，I3D接口控制器然後從迴路斷開檢測和分類電路裝置。
[0030]從跨接負載由PSEI信道供應的電壓向橋控制器IC供電。橋控制器IC例如通過檢測跨接串聯MOSFET的電壓降來感測到PSEl信道已經連接到負載並且作為響應來閉合橋中的恰當MOSFET以增加效率。用於PSEl信道的MOSFET的體二極體因此不再導通。現在可以向負載高效地提供來自PSEl信道的全功率。
[0031]乙太網交換機檢測到來自PSEl信道的全電壓在被供應並且為PSEl信道開始低功率PoE握手。橋控制器IC閉合橋控制器IC中的內部開關以將PSE2信道耦合到橋控制器IC中的檢測和分類電路以執行常規PoE握手程序。橋控制器IC中的檢測和分類電路裝置由用於PSE2信道的「開路」橋MOSFET從更高負載電壓隔離。
[0032]如果檢測到PSE2信道未提供恰當PoE信號，則橋控制器IC未閉合用於PSE2信道的橋M0SFET，從而從負載隔離PSE2信道功率路徑。如果PoE握手程序成功，則橋控制器IC檢測系統中的各種電壓以確定極性並且閉合橋中的恰當MOSFET以將PSE2信道功率連接到負載。橋控制器IC通過監視在閉合橋MOSFET之前和之後的各種電壓電平來保證一個信道未向另一信道中供應功率。負載現在讓PSEl和PSE2並行供應PoE。
[0033]術語PSE和ro貫穿本公開內容用來標識供應功率的設備和接收功率的設備，並且這樣的設備/器件不限於乙太網設備/器件。
[0034]描述各種其它實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1圖示常規的啟用PoE的乙太網系統。
[0036]圖2代表用於組合來自兩個PSE信道的功率以向單個負載供電的已知UPoE系統。
[0037]圖3圖示根據本發明的一個實施例的用於組合來自兩個PSE信道的功率以向單個ro負載供電的系統。
[0038]圖4圖示可以取代POE系統中的用於極性校正的二極體橋電路的任何公知有源橋電路。
[0039]圖5圖示圖3的系統在對PSEl信道進行檢測和分類時導通的電流。
[0040]圖6圖示圖3的系統在PSEl信道耦合到負載之後導通的電流。
[0041]圖7圖示圖3的系統在對PSE2信道進行檢測和分類時導通的電流。
[0042]圖8圖示圖3的系統在PSEl信道和PSE2信道二者耦合到負載之後導通的電流。
[0043]圖9是標識根據本發明的一個實施例執行的步驟的流程圖。
[0044]圖10圖示根據本發明的一個實施例的橋控制器IC中的各種功能單元。
[0045]用相同標號標註相同或者等效的要素。
【具體實施方式】
[0046]將參照圖9的流程圖描述發明電路的操作。
[0047]圖3圖示本發明的一個實施例，該實施例組合來自兩個PSE信道的功率(使用常規乙太網線纜中的數據接線和備用接線)以向單個ro負載供電。用於單個信道的「電壓極性校正」二極體橋由MOSFET橋或者其它適當有源橋取代以最小化跨接橋的電壓降。如以後討論的那樣，MOSFET橋也用來從負載電壓隔離用於一個信道的檢測和分類電路裝置。
[0048]圖4圖示可以用於校正單個PSE信道供應的電壓的極性的多個公知MOSFET橋69中的任何MOSFET橋。跨接輸入端子70和71提供傳入電壓。控制電路72以公知方式使用比較器或者無源電路裝置以如果檢測到傳入電壓極性正確(向上輸入端子70施加更高電壓)則接通M0SFET74和75。如果檢測到傳入電壓極性不恰當(向下輸入端子71施加更高電壓)，則接通M0SFET76和77。基本上，如果MOSFET的內部體二極體正向偏壓，則應當接通MOSFET。已知使用這樣的MOSFET橋用於校正PoE系統中的電壓極性，因此無需進一步電路細節。
[0049]然而即使這樣的MOSFET橋取代圖2的每個橋二極體，仍然不能恰當接通M0SFET，因為在PSE信道之一耦合到負載之後，該電壓將耦合到另一 MOSFET橋從而妨礙準確極性檢測並且可能造成一個信道向另一信道中供應電流。另外，在無阻塞二極體時，一個信道也將幹擾另一信道的檢測和分類程序。在圖2中，橋獨立地操作，因此不知道另一信道中的電壓。[0050]圖3圖示根據本發明的一個實施例的TO78。系統使用MOSFET橋用於兩個信道PSEl和PSE2 (如圖2中所示分別連接到接線44/45和46/47)中的每個信道，其中橋控制器IC80同時檢測來自PSEl和PSE2的四個輸入端子82-85上的電壓。PSEl和PSE2可以是比如圖2中所示常規PSE、因此無需被專門化用於與本發明的TO78操作。因此，本發明與常規PSE向後兼容。在該例中，PSEl和PSE2為類型2，各自在約44伏特提供高至25.5W的PoE。
[0051]將關於圖5至圖8描述系統的操作和構造。假設PSEl和PSE2信道為可能向其它ro提供多得多的信道的單個乙太網交互級的埠。對於乙太網交換機而言，逐個埠依次為各種信道執行PoE握手程序是方便的。因此在該例中假設PSEl信道將首先連接到負載86。
[0052]在圖9的步驟I中，PSEl和PSE2信道由標準CAT-5線纜或者其它適當乙太網線纜連接到橋控制器IC80。
[0053]在步驟2中，乙太網交換機(可以是常規的)為PSEl信道啟動PoE檢測和分類(握手)程序
[0054]在步驟3中並且如圖5中所示，正向偏壓M0SFET90和92中的體二極體(假設正確極性)。這時關斷所有橋M0SFET。因此保證恰當電壓極性並且向I3D接口控制器98中的輸入連接到PSEl信道。
[0055]在橋控制器IC80內部的檢測電路99檢測來自PSE信道(來自輸入82_85)的四個電壓以及跨接負載86的電壓和其它信號，隨後加以描述。
[0056]ro接口控制器98可以是常規ro接口控制器IC並且包含25K歐姆檢測電阻器100和編程的電流源102，該電流源如先前描述的那樣向PSEl供應電流脈衝(例如1-3個脈衝)以標識它的類。可以在分類過程中使用其它公知電路裝置、比如使用分類電阻以汲取預定電流從而標識ro的功率需要。控制器98包含用於與乙太網交換機結合執行常規PoE握手協議的邏輯。在圖5中圖示電流路徑為電流104(圖9的步驟4)。
[0057]一旦控制器98已經檢測到PSEl信道滿足對於類型2P0E的要求並且PSEl信道已經使得PoE電壓上升超出欠電壓封鎖(UVLO)閾值，控制器98如圖6中的電流107所示接通串聯M0SFET106以跨接TO負載86耦合PEl信道(圖9中的步驟5和6)。示出M0SFET106體二極體。負載96可以是將由PoE供電的任何器件。因而，負載86由PSEl信道供應高至25.5W。I3D接口控制器98現在可以斷開檢測電阻器100和電流源102。負載96將通常包含DC-DC轉換器，該轉換器從信道接收電壓、比如44伏特並且將電壓轉換成負載85需要的調節電壓(例如5伏特)。在轉換器的輸出電壓滿足某個閾值時，轉換器可以發出功率良好信號，該信號向負載86指示負載86現在可以正常地操作。
[0058]如果PoE握手程序未成功、比如未感測到有效檢測電阻器，則控制器98使得MOSFET106保持開路，因此從負載86隔離PSEl功率路徑(圖9中的步驟7)。
[0059]橋控制器IC80檢測到PSEl信道連接到負載86而不是仍然經受檢測和分類。這可以通過檢測電路99檢測跨接端子108和109的電壓或者阻抗或者通過檢測指示PSEl信道已經連接到負載86的另一信號來完成。在一個實施例中，檢測跨接M0SFET106的電壓。如果電壓降為低，則它表示PSEl信道耦合到負載86。檢測電路99也可以被連接用於從TO78中的DC-DC轉換器接收功率良好信號，該信號指示轉換器的輸出電壓在某個閾值以上。
[0060]在檢測到PSEl信道連接到負載86時，橋控制器80檢測向控制器IC80的輸入端子82和84施加的電壓的極性(圖9的步驟8)。這可以通過使用常規技術比較電壓來完成。為了簡化而未示出這樣的常規極性檢測電路裝置。如果在輸入端子82的電壓高於在端子84的電壓，則如圖6中的電流107的流動所示接通M0SFET90和92。如果相反為真，則接通M0SFET94和96。因此，在高功率階段期間，在迴路中無二極體壓降，並且橋MOSFET使得效率最大化。
[0061]從跨接負載86由PSEl信道供應的電壓向橋控制器IC80供電，並且可以經由輸入端子108和109向橋控制器IC80供電。
[0062]標題為Providing Power to Powered Device Having Multiple Power SupplyInputs, Jeffrey Heath等人的美國
【發明者】麥可·保羅 申請人:凌力爾特公司