CN101529358A - 减少具有折返限流的系统与感性负载连接时系统中的振荡 - Google Patents

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Abstract

用于采用通路器件来驱动感性负载的系统和方法，该通路器件用于提供到负载的热插拔连接。限流电路防止提供给负载的电流超过电流阈值。折返电路控制所述限流电路，以在所述通路器件上的电压大于规定值时减小所述电流阈值。滤波器电路耦接至所述折返电路，用以在所述感性负载连接至所述通路器件时减少振荡。

Description

减少具有折返限流的系统与感性负载连接时系统中的振荡
技术领域
本公开涉及供电系统，具体来讲，本公开涉及用于在具有折返电流限制的系统(例如以太网供电(PoE)系统)连接了感性负载时减少系统中的振荡的电路和方法。
背景技术
电子系统可能具有诸如板或卡之类的插件模块，可以从带电底板中移除这些插件模块和将这些插件模块插入带电底板。每种插件模块通常具有本地热插拔控制器，以确保在严格的热插拔事件中以及稳定状态下安全地对模块供电。热插拔控制器允许将模块安全地插入带电底板以及将模块安全地从带电底板移除。
例如，以太网供电(Power over Ethernet，PoE)系统采用热插拔布置来将受电装置(Powered Device，PD)连接至供电设备(PowerSourcing Equipment，PSE)或者断开受电装置到供电设备的连接。传统上，诸如IP电话、无线LAN接入点、个人电脑和网络摄像头之类的网络设备需要两个连接：一个连接到LAN，另一个连接至供电系统。PoE系统消除了对额外的电源插座和对网络设备的供电的布线的需要。相反，通过用于进行数据传输的以太网电缆进行供电。
PoE系统必须遵循IEEE 802.3af标准，IEEE 802.3af标准定义了在从PSE到位于链路的相对侧的PD的未屏蔽双绞线以太网布线上进行供电。根据IEEE 802.3af标准中的定义，PSE和PD是允许网络设备采用与用于数据传输相同种类的电缆供电和获取电力的非数据实体。PSE是电气定义在到电缆的物理连接点的设备，所述PSE向链路供电。PSE通常与以太网开关、路由器、集线器或其他网络开关设备或中跨设备相关联。PD是一种获取电力或请求电力的设备。PD与诸如数字IP电话、无线网络接入点、PDA或笔记本电脑扩展槽、蜂窝电话充电器和HVAC恒温器之类的设备相关联。
PSE的主要功能是对用于PD请求功率的链路进行搜索、选择性地对PD进行分类、如果检测到PD就对该链路进行供电、监控链路上的供电以及当不再请求或需要供电时断开供电。PD通过提供IEEE802.3af所定义的PoE检测特征而参与到PD检测过程中。
如果检测特征是有效的，PD具有向PSE提供分类特征的选项，来指示当上电时它会获取多少电力。可以将PD分为0级到4级。1级PD要求PSE至少供电4.0W，2级PD要求PSE至少供电7.0W，0级、3级或4级PD要求PSE至少供电15.4W。基于确定的PD的级，PSE向所述PD提供所需的功率。
诸如MOSFET之类的通路器件可以作为连接到PSE的电路卡和带电底板之间的开关，即PSE和PD之间的开关。在插入PD之后，即处于启动模式，或在短路条件下，MOSFET中的功耗可能远大于提供额定功率时的功耗。为了限制功耗，IEEE 802.3af规定了折返机制。具体来讲，该标准定义，在启动模式下，对于10V和30V之间的端口电压，对输出电流(IInrush)的最小要求是60mA。对于大于30V的端口电压而言，要求启动模式的电流IInrush在400mA～450mA范围内。这个400mA～450mA的IInrush要求适用于50ms～75ms的TLIM定时器的持续时间。
图1示出了说明了IEEE 802.3af折返要求的图。具体来讲，图1中的灰色区域示出了不被IEEE 802.3af所允许的PSE输出电压和输出电流的组合。图1中的黑线图示了可能的折返曲线，该折返曲线表示PSE的输出电流对于输出电压高于30V处于400mA～450mA之间的电平，而对于低于30V的输出电压则逐渐减小。电流限制折返技术被用来限制功耗，并从而限制通路器件的尺寸和成本。
一些诸如PoE之类的新兴应用需要折返机制来限制感性负载的涌流和短路电流。具体来讲，IEEE 802.3af标准允许有效的PD具有上至100μH的输入电感。不过，当连接了感性负载时，具有折返机制的热插拔器件在涌流和/或短路条件下会变得不稳定，从而导致热插拔连接点处的振荡。
从而，希望提供用于在具有折返限流的系统(诸如以太网供电(PoE)系统)连接了感性负载时减少系统中的振荡的电路和方法。
发明内容
本公开提供了一种采用通路器件驱动感性负载的新系统和方法，所述通路器件用于向该负载提供热插拔连接。限流电路防止提供给负载的电流超过电流阈值。折返电路控制限流电路，以在通路器件上的电压高于规定值时减小电流阈值。将滤波器电路耦接至折返电路，用来在感性负载连接至通路器件时减少振荡。
所述滤波器电路可以包括与折返电路串联耦接的低通滤波器。所述低通滤波器可以被配置为用于对频率高于所述负载的谐振频率的信号进行衰减。
根据示范性实施例，所述滤波器电路可以被耦接至折返电路的输入端。具体来讲，可以将它布置在折返电路和通路器件之间。
可替换地，所述滤波器电路可以被耦接至折返电路的输出端。例如，可以将它布置在折返电路和限流电路之间。
根据本公开的另一个方面，用于在通信链路上供电的系统包括用于向通信链路上的负载供电的供电装置。所述供电装置可以被配置为通过半导体器件进行供电。限流电路防止所述供电装置的输出电流超过电流阈值。当供电装置的输出电压小于或等于规定的输出电压值时，折返电路减小电流阈值。滤波器电路耦接至所述折返电路，用以在感性负载连接至供电装置时减少振荡。
供电装置可以包括供电设备(Power Sourcing Equipment，PSE)，所述供电设备用于通过以太网链路向受电设备(Powered Device，PD)供电。
可以将滤波器电路配置为在PD连接至PSE时减小半导体器件处的振荡。具体来讲，所述滤波器电路可以包括与所述折返电路串联耦接的低通滤波器。配置所述低通滤波器，以对频率高于PD的谐振频率的信号进行衰减。
所述滤波器电路可以被耦接在折返电路和半导体器件之间。
可替换地，所述滤波器电路可以被布置在折返电路和限流电路之间。
根据本公开的方法，执行下列步骤来在感性负载通过通路器件连接至电子系统时减少通路器件处的振荡：
防止提供给负载的电流超过电流阈值；
折返电路对电流阈值进行控制，以在通路器件上的电压高于归定值时，减小电流阈值；以及
对折返电路的信号进行滤波，以对高于负载的谐振频率的频率进行衰减。
所述负载可以通过耦接至通路器件的通信链路连接至所述系统。
例如，可以对折返电路的输入信号进行滤波，以对高于负载的谐振频率的频率进行衰减。
可选地，可以对折返电路的输出信号进行滤波，以对高于负载的谐振频率的频率进行衰减。
从下文的详细描述中，本公开的其他优点和方面对于本领域技术人员将变得显而易见，其中，仅通过图示说明为实施本公开而设计的最佳模式，示出和说明了本公开的实施例。与将要说明的一样，本公开能够有其他和不同的实施例，它的细节容易在各个明显的方面容易得到改进，而这些改进都不会偏离本公开的精神。因此，附图和说明本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
结合附图进行阅读时，可以更好地理解本公开的实施例的下文详细描述，其中，这些特征并不必然是按照比例绘制的，而是以能最佳地图示相关特征的方式来进行绘制，其中：
图1是图示了IEEE 802.3af的折返要求的图；
图2是图示了在本公开的PoE系统中施加在PSE和PD之间的电压的图；
图3是图示了折返机制的图；
图4是图示了展现出负电阻的折返电流限制曲线的图；
图5是图示了本公开的第一示范性实施例的图；
图6是图示了本公开的第二示范性实施例的图。
具体实施方式
采用PoE系统的示例来描述本公开。不过，很明显的是，本文说明的概念适用于任何用于驱动可连接的感性负载的系统。
图2示意性地示出了在PoE 10系统中施加在PSE 12和PD 14间的电压。具体来讲，PSE供电设备可以包括正极端子Vsupply+和负极端子Vsupply-。PSE 12可以包括诸如功率MOSFET之类的通路器件16，该通路器件16用于将PSE 12连接至PD 14和断开从PSE 12至PD 14的连接。可以控制功率MOSFET 16的栅极，来从PSE 12向PD 14供电。PSE 12的输出端口可以包括正极端子Vport+和负极端子Vport-。将PSE 12的输出端处所提供的端口电压Vport＝Vport+-Vport-施加在PD 14的两端来得到功率PPD＝(Vport+-Vport-)×Iport，其中，Iport是端口电流。通路器件所耗散的功率Ppass等于Vpass×Iport，其中，Vpass＝Vsupply--Vport-是施加在通路器件16上的电压。当PD 14上的电压Vport减小时，通路器件16上的电压Vpass增大。
当PD 14连接至PSE 12时，即在启动模式，并处于短路状态时，通路器件16中的功耗可能远远大于提供额定功率时的功耗。为了限制功耗，IEEE 802.3af标准规定了折返机制。具体来讲，该标准定义，对于10V和30V之间的端口电压Vport，启动模式中的输出电流IInrush最小要求是60mA，对于30V以上的端口电压Vport，最小电流IInrush要求是处于400mA～450mA范围内。最小电流IInrush要求适用于设置在50ms～75ms范围之间的持续时间TLIM。
如图3所示，折返机制可以包括折返电路102，所述折返电路102控制限流电路104，以便根据折返要求来控制PSE 12的端口电流(Iport)。具体来讲，限流电路104监控端口电流Iport，并对端口电流Iport和限流阈值进行比较，以将端口电流Iport保持在限流阈值或低于限流阈值。
通过确定连接到通路器件16(诸如MOSFET)的感测电阻Rsense上的感测电压Vsense可以监控端口电流Iport。限流电路104可以包括运算放大器，该运算放大器对确定的感测电压Vsense和表示限流阈值的参考电压Vref进行比较，以将所述感测电压保持在电压Vref或低于电压Vref。具体来讲，运算放大器的输出端可以被连接至MOSFET 16的栅极，以在感测电压Vsense随着端口电流增大而增大到接近参考电压Vref时，减小栅极的栅极驱动电压VG。因此，MOSFET 16的电阻增大，从而减小了端口电流Iport。
限流电路104被折返电路102所控制，折返电路102可以改变电压Vref，以便达到所需的Iport值。折返电路102监控施加在PD 14上的电压Vport＝Vport+-Vport-，和/或施加在通路器件16上的Vpass＝Vport--Vsupply-。具体来讲，为了减小端口电流Iport，折返电路102可以监控端口电压Vport或者通路器件16上的电压，以在Vport小于或等于规定的Vpass值时或在Vport超过规定的Vpass值时减小限流阈值。例如，折返电路102可以根据图1所示的IEEE 802.3af折返要求来工作。
连接至PSE 12的PD 14可以表示感性负载。例如，IEEE 802.3af标准要求要求有效的PD具有上至100μH的输入电感。感性负载到通路器件16的连接可能在涌流和/或短路状况下导致不稳定。
具体来讲，图4示出了表示折返机制的限流曲线，所述折返机制限制启动模式下的通路器件16的功耗。当通路器件上的电压Vpass高于规定值时，端口电流Iport随着电压Vpass的减小而增大。因此，限流曲线具有展现出负电阻的斜率。感性负载到展现处负电阻的器件的连接通常引起会导致连接点处的振荡的不稳定。在热插拔连接的情况下，这种不稳定是有害的，会在热插拔连接点产生振荡。
如示意性地示出了PD 14到PSE 12的热插拔连接的图5所示，PD 14可能具有电感LLOAD和电容CLOAD。为了减少PD 14的电感所引起的振荡，PSE 12可以包括与折返电路104串联耦接的低通滤波器106。低通滤波器106可以具有等于负载(例如PD 14)的谐振频率Fr的截止频率。因此，配置低通滤波器106，以传递频率等于或低于谐振频率Fr的信号以及对频率高于谐振频率Fr的信号进行衰减。
例如，可以将低通滤波器106布置在折返电路102的输入端和耦接至PD 14的通路器件16的输出端之间。因此，低通滤波器106可以对折返电路102所监控的信号进行滤波，以对频率高于谐振频率Fr的分量进行衰减。从而，低通滤波器106减少了向展示出负电阻的热插拔器件插入感性负载所引起的热插拔连接点处的振荡。
图6示出了在PD 14和PSE 12之间的热插拔连接的一种可替换示例，其中，将低通滤波器108布置在折返电路102的输出端和限流电路104之间。与图5中的示例类似，低通滤波器108的截止频率可以等于PD 14的谐振频率Fr。从而，低通滤波器108对折返电路102所提供的折返信号进行滤波，以对频率高于负载的谐振频率的高频分量进行衰减。由于已滤波的折返信号定义了展现出负电阻的限流曲线的一部分中的限流阈值，所以低通滤波器108减少了将感性负载连接至PSE 12所引起的热插拔链接点处的振荡。
上文描述图示和描述了本发明的多个方面。而且，本公开只是示出和描述了优选的实施例，但是如上所述，应当理解到本发明可以采用各种其他的组合、变型和环境；而且，具备相关技术领域知识的人员或者相关技术领域的技术人员在本文所表述的本发明思想的范围内(等同于上述指教)可以进行各种修改和改进。
上文说明的实施例还用于要解释已知的实践本发明的最佳模式，以及用于使本领域的其他技术人员可以以这些方式以及特定应用所要求的各种改进来利用本发明或各个实施例或者采用本发明。
于是，本文的说明不是要将本发明局限于本文公开的形式。此外，应当将所附权利要求解释为包括可替换实施例。

Claims (20)

1.一种系统，其用于驱动感性负载，该系统包括：
通路器件，其用于连接负载；
限流电路，其用于防止提供给负载的电流超过电流阈值；
折返电路，其被配置为控制所述限流电路，以在通路器件上的电压高于规定值时减小电流阈值；以及
滤波器电路，其被耦接至所述折返电路，用以在感性负载连接至所述通路器件时减小振荡。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述滤波器电路包括与所述折返电路串联耦接的低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，将所述低通滤波器配置为对频率高于负载的谐振频率的信号进行衰减。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接至所述折返电路的输入端。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接在所述折返电路和所述通路器件之间。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接至所述折返电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接在所述折返电路和所述限流电路之间。
8.一种系统，其用于通过通信链路供电，该系统包括：
供电装置，其用于通过通信链路向负载供电，所述供电装置被配置为通过半导体器件进行供电；
限流电路，其用于防止所述供电装置的输出电流超过电流阈值；
折返电路，其用于在所述供电装置的输出电压小于或等于规定的输出电压值时减小电流阈值；以及
滤波器电路，其被耦接至所述折返电路，用以在所述负载连接至所述供电装置时减小振荡。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述供电装置包括供电设备，用于通过以太网链路对受电设备进行供电。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，对所述滤波器电路进行配置，以在PD连接至PSE时减少半导体器件处的振荡。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述滤波器电路包括与所述折返电路串联耦接的低通滤波器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，对所述低通滤波器进行配置，以对频率高于PD的谐振频率的信号进行衰减。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述滤波器电路耦接至所述折返电路的输入端。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接在所述折返电路和所述半导体器件之间。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接至所述折返电路的输出端。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述滤波器电路被耦接在所述折返电路和所述限流电路之间。
17.一种在感性负载通过通路器件被连接至电子系统时减少所述通路器件处的振荡的方法，所述方法包括如下步骤：
防止提供给所述负载的电流超过电流阈值；
通过折返电路控制所述电流阈值，以在所述通路器件上的电压高于规定值时减小所述电流阈值；以及
对所述折返电路处的信号进行滤波，以对高于所述负载的谐振频率的频率进行衰减。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，对所述折返电路的输入信号进行滤波，以对高于所述负载的谐振频率的频率进行衰减。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，对所述折返电路的输出信号进行滤波，以对高于所述负载的谐振频率的频率进行衰减。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述负载通过通信链路连接至所述系统，所述通信耦接至所述通路器件。
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