CN101529799A - 可编程的恒定电源折返 - Google Patents

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Abstract

通过一个通路元件向与所述通路元件连接的负载供电的系统和方法。一个电流限制电路，防止提供给所述负载的电流超过一个电流阈值；一个折返电路，根据一个预设条件修改所述电流阈值。所述折返电路被配置为根据所述通路元件的一个近似安全的工作区域来改变所述电流阈值。

Description

可编程的恒定电源折返
技术领域
本发明涉及一种电源系统，尤其涉及为电源系统，如以太网供电系统，提供折返电流限制的电路与方法。
背景技术
通常，网络设备，如I P电话机、无线局域网接入点、个人计算机和网络摄像机等，都需要两个连接点：一个连接到局域网上，另一个连接到电源系统上。以太网供电系统(PoE)免除了为网络设备供电所需的额外的插座和电缆。相反的，PoE系统能够通过传输数据的以太网电缆为网络设备供电。
PoE系统必须支持IEEE 802.3af标准，该标准规定了供电设备(PSE)通过非屏蔽双绞以太网电缆向受电设备(PD)供电的方式，其中供电设备和受电设备分别位于链路的两端。如同IEEE 802.3af标准中规定的，供电设备和受电设备是非数据实体，允许网络设备在传输数据所用的电缆上提供电源(supplypower)和抽运电源(draw power)。在电学角度上，供电设备是与电缆物理连接并给链路提供电源的设备。供电设备设备通常是以太网交换机、路由器、集线器或者其它网络交换设备或中间跨接设备。受电设备是抽运电源或请求电源的设备。受电设备可以是数字IP电话机、无线网络接入点、掌上电脑(PDA)或笔记本电脑扩展坞、移动电话充电器和空调系统温控器。
PSE设备的主要功能是：为请求电源的受电设备寻找链路，为受电设备进行分级(此功能是可选的)，检测到受电设备后为该链路提供电源，监控该链路上的电源，当不再请求或者需要电源时断开电源。通过提供一个IEEE 802.3af标准规定的PoE检测签名，受电设备也参与了受电设备检测程序。
如果检测签名有效，那么该受电设备可以选择为供电设备提供一个分级签名以表明上电后要抽运多少电源。一个受电设备可被分为0级～4级。1级受电设备需要供电设备提供至少4.0W的功率，2级受电设备需要供电设备提供至少7.0W的功率，0级、3级和4级受电设备需要至少15.4W的功率。根据已经确定的所述受电设备的级别，供电设备向所述受电设备提供所请求的功率。
通路元件，比如MOSFET，可以作为供电设备和受电设备之间的开关。在加电和短路的情况下，MOSFET的功耗要比标称电源下的功耗高的多。为了限制功耗，IEEE 802.3af标准规定了一种折返机制。特别地，该标准规定在启动模式时，当端口电压在10V至30V之间时，一个输出电流(Iinrush)的最小值为60mA。当端口电压大于30V时，启动模式下的电流Iinrush要在400mA至450mA之间。上述400mA到450mA的要求需保持TLIM时间，即50ms～75ms。
图1给出了IEEE 802.3af折返要求的示意图。特别地，图1中的灰色区域示出了IEEE 802.3af标准所不允许的供电设备的输出电压和输出电流的组合。图1中的黑色线示出了一种可能的折返曲线，其中，输出电压大于30V时，所述供电设备的输出电流在400mA至450mA之间，当输出电压小于30V时，输出电流逐渐下降。上述电流限制折返技术被用于限制功耗，进而限制所述通路元件的尺寸和成本。
然而，对于一个能够为所述受电设备提供高于IEEE 802.3af标准要求的电源的高电源(power)供电设备而言，其电流限制也应该高于IEEE 802.3af标准所规定的400mA～450mA电流。由于较高的电流导致较高的MOSFET功耗，所以就需要一个较大的通路元件。这进而导致供电设备制造者的付出较高的成本。
因此，在高电源供电设备中需要采用一个折返机制以便降低通路元件的功耗。
发明内容
本发明公开了一种实现折返的新颖的系统和方法。根据本发明的一个方面，一种为负载提供电源的系统包括：一个通路元件，用于提供与所述负载的连接；一个电流限制电路，用于防止提供给所述负载的电流超过电流阈值；一个折返电路，用于根据预设条件修改电流阈值。所述折返电路被配置成根据所述通路元件的一个近似安全的工作区域来改变所述电流阈值。
例如，为了支持IEEE 802.3af标准，当所述负载上的电压低于一个预设值时，所述折返电路能够减小所述电流阈值。
所述折返电路能够监控所述负载上的电压和/或所述通路元件上的电压以便相应地改变所述电流阈值，从而使所述通路元件的直流功耗保持在一个基本恒定值。所述直流功耗的基本恒定值相当于所述通路元件安全工作时的功耗的最大值。
根据本发明的一个实施例，当所述负载上的电压位于第一电压值和第二电压值之间时，所述折返电路能够将所述电流阈值保持为第一电流阈值，例如IEEE802.3af标准规定的电流阈值。
当负载上的电压低于第一电压值时，所述电流阈值可以减小到低于第一电流阈值。例如，所述折返电路能够监控所述负载上的电压以便将所述电流阈值减小到低于第一电流阈值。
当负载上的电压大于第二电压值时，所述电流阈值可以增加到大于第一电流阈值。所述折返电路能够监控所述通路元件上的电压以便将所述电流阈值增加到大于第一电流阈值。
当所述电流阈值根据所述第一电流阈值进行调节时，所述折返电路能够对所述安全工作区域的各个部分进行线性逼近。
一个折返控制电路能够控制所述折返电路以便选择所述电流阈值的变量值特别地，为了最大化地利用特定通路元件的安全工作区域(SOA)，所述折返控制电路能够编程所述折返电路从而使所述折返电路在一个特定应用中工作。
根据本发明的另一方面，一个通过通信链路为受电设备提供电源的系统，如以太网供电系统，包括：具有一个输出端口的电源设备，用于通过所述通信链路为所述受电设备供电。电源是通过一个半导体设备提供给所述受电设备的。一个电流限制电路避免所述电源设备的输出电流超出一个电流阈值，以及一个折返电路根据预设条件改变所述电流阈值。所述折返电路被配置成能够改变所述电流阈值，从而使所述半导体设备的功耗保持一个恒定值。
所述折返电路能够监控所述输出端口的电压和/或所述半导体设备上的电压以便改变所述电流阈值，从而使所述半导体设备的直流功耗保持一个恒定值。特别地，所述折返电路能够逼近所述半导体设备的安全工作区域。
根据本发明的一种方法，通过下述步骤实现向通过一个通路元件连接到供电设备的负载的供电：
-将提供给所述负载的电流限制在电流阈值内；
-改变所述电流阈值使通路元件的功耗保持一个恒定值。
所述电流阈值能够改变以便逼近所述通路元件的安全工作区域。
从下面的详细描述可知，本发明的其它优势和方面对于本领域技术人员而言是容易理解的，其中，本发明所公开的实施例通过图例的方式只描述了实现本发明的最佳实施例。正如下面所述，本发明能够实现其它的不同的实施例，本发明的几个详细内容能够从各种各样的显而易见的方面非常容易的进行修改，所有的这些修改都不违背本发明的思想。相应地，附图和说明书只是示意说明，不会限制本发明的保护范围。
附图说明
本发明公开的实施例的下述详细描述都可以结合下述附图得到很好的理解，其中，所述附图中的技术特征并不必然限定保护范围，只是为了最佳的展示相关的技术特征。
图1是IEEE802.3af标准的折返要求示意图；
图2是PoE系统中的供电示意图；
图3是本发明公开的一种折返机制示意图；
图4是一个通路元件的安全工作区域以及一个符合IEEE802.3af标准的供电设备的折返曲线和一个高电源供电设备的折返曲线的示例；
图5是折返曲线逼近所述安全工作区域的示例；
图6是折返曲线线性逼近所述安全工作区域的示例。
具体实施方式
本发明将采用一个PoE系统为例进行说明。然而应当明确的是，本发明所描述的概念能够应用于任何一个通过通路元件为负载供电的系统。
图2示意了在一个PoE系统10中，一个供电设备12和一个受电设备14之间的各个电压。特别地，一个供电设备12的电源包括正极端子Vsup ply+和负极端子Vsup ply-。所述PSE设备12可以包括一个通路元件16，如功率MOSFET，所述通路元件16用于将所述受电设备14连接到所述供电设备或者将所述受电设备14从所述供电设备断开。可以通过控制所述功率MOSFET16的栅极实现所述供电设备12对所述受电设备14的供电。施加在所述受电设备14上的电压为VPD＝Vsup ply+ -Vport，其中，Vport是施加在所述供电设备12的输出端口的一个端口电压。所述通路元件16的功耗Ppass＝Vpass×Iport，其中Vpass＝Vport-Vsup ply-是施加在所述通路元件16上的电压。当施加在所述受电设备14上的电压VPD下降时，施加在所述通路元件16上的电压Vpass就会增加。
当所述受电设备14连接到所述供电设备12上时，例如在启动模式下或者在短路条件下，所述通路元件16的功耗可能比提供常规电源时的功耗高得多。为了限制功耗，IEEE 802.3af标准规定了一种折返机制。特别地，该标准规定，在启动模式时，当端口电压Vport在10V到30V之间时，一个输出电流(IInrush)的最小值为60mA。当端口电压Vport高于30V时，IInrush的最小值应该位于400mA到450mA之间。所述最小IInrush应该保持TLIM时间，其中TLIM设置在50ms到75ms之间。
如图3所示，所述折返机制包括一个折返电路102，所述折返电路102用于控制一个电流限制电路104，从而根据折返需要来控制所述供电设备12的端口电流Iport。特别地，所述电流限制电路104监控所述端口电流Iport，并将所述端口电流Iport与一个电流限制阈值进行比较，从而使所述端口电流Iport保持等于或者小于所述电流限制阈值。
所述端口电流Iport能够通过确定灵敏电阻Rsense上的灵敏电压Vsense得到监控，所述灵敏电阻Rsense被连接到所述通路元件16(如MOSFET)。所述电流限制电路104由包括一个运算放大器，用于将确定的所述灵敏电压Vsense与一个代表所述电流限制阈值的参考电压Vref进行比较，从而使所述灵敏电压保持等于或小于所述参考电压Vref。更具体的说，当所述灵敏电压Vsense随着所述端口电流的增加而增加并接近于所述参考电压Vref时，所述运算放大器的输出连接到所述MOSFET 16的栅极以减小所述栅极上的栅驱动电压。因此，所述MOSFET 16的电阻增加，从而减小了所述端口电流Iport。
所述电流限制电路104被所述折返电路102所控制，所述折返电路102能够改变所述参考电压Vref从而获得一个所需要的Iport值。所述折返电路102监控施加在所述受电设备14上的电压VPD＝Vsup ply+-Vport和/或施加在所述通路元件16上的电压Vpass＝Vport-Vsup ply-。正如下文详细描述的，所述折返电路102改变所述电流限制阈值，以便通过所述通路元件16将功耗限制在一个与所述通路元件16的安全工作区域(SOA)相应的水平。
通路元件的安全工作区域可定义为电压和电流条件，通过所述电压和电流条件，所述通路元件能够安全工作而不会出现由功耗导致的损坏，即所述安全工作区域决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Ppass＝Vpass×Iport。减小所述电流限制阈值也就减小了流过所述通路元件16的所述端口电流Iport。为了限制所述通路元件16的最大功耗要求，所述端口电流Iport应该随着施加在所述通路元件16上的电压Vpass的增加而减小。这能够降低所述通路元件16的尺寸和成本。
图4给出了一个适用于符合IEEE 802.3af标准的供电设备的通路元件的SOA示例。所述SOA指的是由所述端口电流Iport和所述端口电压Vport的变量值确定的恒定功率曲线下面的区域。该功率曲线反映了所述通路元件16能够安全工作时的功耗Ppass的最大值。此外，图4还给出了符合IEEE 802.3af标准的供电设备和一个能够提供高于IEEE 802.3af标准要求的电源的高电源供电设备的折返电流限制的示例。
在所述示例中，所述高电源供电设备的所述折返电流限制是符合IEEE802.3af标准的供电设备的两倍，但两者所允许的折返电压值是相同的。因此，所述高电源供电设备的所述通路元件的功耗也要求是符合IEEE 802.3af标准的通路元件的两倍。该功耗将会超出所示SOA。因此，这就需要一个较大的通路元件。
为了避免使用较大的通路元件，本发明公开的所述折返电路102采用允许所述供电设备提供较高的电源同时又不与适用于符合IEEE 802.3af标准的供电设备的通路元件的SOA相冲突的折返策略。如图5所示，所述折返电路102能够规定所述电流限制阈值以便逼近所述通路元件16的SOA。特别地，所述折返电路102能够监控施加在所述受电设备14上的电压VPD和/或施加在所述通路元件16上的电压Vpass以便规定所述电流限制阈值，从而使所述通路元件16的直流功耗保持一个恒定值。所述恒定直流功耗可以设置为所述通路元件16能够安全工作的一个值，例如等于或者小于与所述通路元件16的SOA相对应的所述恒定功率曲线。
为了实现所述的折返策略，所述折返电路102可以确定与所述电压VPD和/或所述电压Vpass成函数关系的所述参考电压Vref以便在所述通路元件16的SOA内提供一个恒定的直流功耗。所述折返电路102可以包括逻辑电路(如多路选择器)和其它用于确定所述参考电压Vref的元件。可选地，所述折返电路102可以采用一个通用数字信号处理器和适当的编程实现。
所述折返机制可以进一步包括一个用于控制所述折返电路102的控制逻辑电路106。特别地，所述控制逻辑电路106能够在特定应用中对由所述折返电路102产生的所述电流限制曲线进行编程，从而允许系统设计者最大化地利用特定通路元件的SOA。所述控制逻辑电路106能够对由所述折返电路102产生的所述电流限制曲线的斜率、中间值和最终值进行编程。
图6给出了另一种采用折返电流限制的折返策略，所述折返电流限制提供所述安全工作区域的线性逼近。为了实现该折返策略，当所述Vport电压通过所述控制逻辑电路106的编程在V1和V2之间变化以便逼近特定通路元件16的安全工作区域时，所述折返电路102能够将所述电流限制阈值保持在IEEE 802.3af标准所规定的425mA。当所述Vport电压低于V1时，所述电流限制阈值能够线性减小以便逼近所述安全工作区域的各个部分。当所述Vport电压高于V2时，所述电流限制阈值能够线性增加以便逼近所述安全工作区域的各个部分。所述电流限制阈值能够一直增加直到其达到一个足够大的值能够使所述供电设备12设备向所述受电设备14传输所需要的功率为止。例如，根据图4所示的实施例，所述电流限制阈值的上面部分可被设置为850mA。
为了实现图6所示的折返策略，所述折返电路102能够监控施加在所述受电设备14上的电压VPD和/或施加在所述通路元件16上的电压Vpass以便确定用于确定所述电流限制阈值的所述参考电压Vref的值。例如，可以监控所述VPD电压以确定所述阈值曲线的下面部分，可以监控所述Vpass电压以确定所述阈值曲线的上面部分。所述电压V1和V2的值以及所述电流阈值线的斜率可以通过所述控制逻辑电路106编程以便最大化地利用所述安全工作区域。
前面的描述示例并分析了本发明的各个方面。此外，本发明只描述了最佳实施例，但是如前所述，应当理解的是本发明能够用于各种其它的组合、修改和环境并能够根据所述的发明思想、上述实施例和/或相关的技能或知识进行各种变形与修改。
进一步地，上述实施例只是为了示例实现本发明的最佳方式并使其它本领域技术人员能够利用本发明，因此，特定应用或使用所要求的其它的实施例以及各种修改都是本发明的保护范围。
相应地，本说明书并不将所述发明限制于本文所公开的形式。而且，应当理解的是，附加的权利要求应当包括各种可选的实施例。

Claims (20)

1、一种为负载提供电源的系统，包括：
一个通路元件，用于提供与所述负载的连接；
一个电流限制电路，用于防止提供给所述负载的电流超过电流阈值；
一个折返电路，用于根据给定条件修改电流阈值；
所述折返电路被配置为根据所述通路元件的一个近似安全的工作区域来改变所述电流阈值。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述负载上的电压低于一个预设值时，所述折返电路被配置成用于减小所述电流阈值。
3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述折返电路被配置成用于监控施加在所述负载上的电压以便相应地改变所述电流阈值，从而使所述通路元件的直流功耗保持在一个基本恒定值。
4、根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直流功耗的基本恒定值相当于所述通路元件安全工作时的功耗的最大值。
5、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述折返电路被配置成用于监控施加在所述通路元件上的电压以便相应地改变所述电流阈值，从而使所述通路元件的直流功耗保持在一个基本恒定值。
6、根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述直流功耗的基本恒定值相当于所述通路元件安全工作时的功耗的最大值。
7、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当施加在所述负载上的电压位于第一电压值和第二电压值之间时，所述折返电路被配置成用于将所述电流阈值保持为第一电流阈值。
8、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当施加在所述负载上的电压低于所述第一电压值时，所述折返电路被配置成用于使所述电流阈值减小至低于所述第一电流阈值。
9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述折返电流被配置成用于监控施加在所述负载上的电压以便使所述电流阈值减小至低于第一电流阈值。
10、根据权利要求8所述的系统，其特征在于，当施加在所述负载上的电压高于所述第二电压值时，所述折返电路被配置成用于使所述电流阈值增加至高于所述第一电流阈值。
11、根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述折返电路被配置成用于监控施加在所述通路元件上的电压以便使所述电流阈值增加至高于第一电流阈值。
12、根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当所述电流阈值根据所述第一电流阈值变化时，所述折返电路被配置为与所述通路元件的一个近似安全的工作区域相一致。
13、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括一个折返控制电路，用于控制所述折返电路以便选择所述电流阈值的变量值。
14、一种通过一个通信链路向一个受电设备提供电源的系统，包括：
一个具有一个输出端口的电源设备，用于通过所述通信链路向所述受电设备供电，所述电源设备被配置成通过一个半导体设备供电；
一个电流限制电路，用于避免所述电源设备的一个输出电流超出一个电流阈值；
一个折返电路，用于根据一个预设条件修改所述电流阈值；
所述折返电路被配置成用于改变所述电流阈值，从而使所述半导体设备的功耗保持一个恒定值。
15、根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述电源设备被配置成通过一个以太网链路为所述受电设备供电。
16、根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述折返电路被配置成用于监控所述输出端口的电压以便修改所述电流阈值。
17、根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述折返电路被配置成用于监控施加在所述半导体设备上的电压以便修改所述电流阈值。
18、根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述折返电路被配置成用于使所述半导体设备的直流功耗保持一个恒定值，从而逼近所述半导体设备的一个安全工作区域。
19、一种向通过一个通路元件连接的负载供电的方法，包括下述步骤：
将提供给所述负载的电流限制在一个电流阈值内；
改变所述电流阈值使所述通路元件的功耗保持一个恒定值。
20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，根据所述通路元件的一个近似安全的工作区域来改变所述电流阈值。
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