CN102611307B - 一种应用于以太网供电系统中受电设备的受电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于以太网供电系统中受电设备的受电电路，该电路包括依次相互连接的签名单元、功率分级单元、多余功率去除单元，以及相互连接的延迟浪涌电流及功率输入单元和DC/DC功率输出单元；同时，所述延迟浪涌电流及功率输入单元与签名单元和功率分级单元分别相互连接；签名单元的输入端与供电设备连接，DC/DC功率输出单元的输出端与受电设备的后级电路的输入端连接。本发明采用将检测电路用分立器件做出来并由用户配合常用PWM芯片使用的这种模式，由于分立器件和PWM芯片都比较便宜，其次采购都比较方便，所以大大节省了成本，更方便选型。
Description
技术领域
本发明涉及以太网供电系统技术领域，尤其涉及一种应用于以太网供电系统中受电设备的受电电路。
背景技术
随着电子信息技术以及IEEE802.3af2003和IEEE802.3at2009标准（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美国电气和电子工程师协会简称IEEE）的发布，以太网供电(PowerOverEthernet简称POE)由于其本身的安全性和方便性得到广大消费着的接受，将得到推广和普及。
POE通过传输以太网数据的CAT-5电缆进行供电，可以简化用电设备的安装和部署。这些用电设备包括如IP电话机、网络摄影机、无线桥接器、收银机、安全存取与监测系统等。实际上，任何需要数据连接并能在40W（IEEE802.3at功率要求）或更低功率下工作的设备都可无需AC电源或电池供电，而可直接从RJ-45插座就能够得到相应的电力。一个完整的POE系统包括供电端设备(PSE，PowerSourcingEquipment)和受电端设备(PD，PoweredDevice)两部分。对于PSE和PD，它们分别需要对应的电源管理芯片来实现满足IEEE802.3af和IEEE802.3at标准。通常POE系统供电过程如图1所示，具体包括：PSE设备开机-﹥检测PD设备-﹥对PD设备分类-﹥PSE设备为PD设备供电。
在POE系统的以太网供电过程中，PSE管理芯片的作用是完成对有POE功能的PD设备的侦测以及供电。PD管理芯片是提供用以被PSE设备侦测的电路以及完成PD设备后级电路所需要的电压以及功率变换。该PD管理芯片电路的主要功能是完成PSE对PD的侦测，它配合其他PWM控制器可以完成对有POE功能的PD设备的供电。目前，各大半导体开发商都推出了PSE管理芯片和PD管理芯片。对于PD管理芯片，要么是集成的，要么是用MCU+分离器件控制的，对于集成类的芯片由于需要将检测电路、PWM控制电路以及程序写入集成片中并封装在一起，对于采用MCU+分离器件控制的芯片由于大部分MCU控制的电路有专利保护，因而它们的价格都比较高。因而，有必要提出一种低成本的PD管理芯片实现方式，即PD设备受电电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于以太网供电系统的受电设备电路，降低成本，同时可灵活使用不同的PWM控制电路，增强其适应性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种应用于以太网供电系统中受电设备的受电电路，包括依次相互连接的签名单元、功率分级单元、多余功率去除单元，以及相互连接的延迟浪涌电流及功率输入单元和DC/DC功率输出单元；同时，所述延迟浪涌电流及功率输入单元与签名单元和功率分级单元分别相互连接；
所述签名单元的输入端与供电设备连接，DC/DC功率输出单元的输出端与受电设备的后级电路的输入端连接。
优选地，所述签名单元包括特征电阻R1和滤波电容C1，所述特征电阻R1和滤波电容C1并联于+50V与GND之间。
优选地，所述功率分级单元包括分级电压取样电阻R2、分级电压取样电阻R3、分级电压取样电阻R4、分级电阻R5、驱动电阻R6、功率MOS管Q2；
所述分级电压取样电阻R2、R3、R4依次串联于+50V与GND之间；驱动电阻R6的一端连接于分级电压取样电阻R3和R4的连接点、另一端连接于功率MOS管Q2的G极；分级电阻R5的一端与功率MOS管Q2的D极连接，另一端和功率MOS管Q2的S端分别连接+50V和GND。
优选地，所述多余功率去除单元包括：稳压二极管ZD1、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C2、NPN型三极管Q1；
稳压二极管ZD1的A极与电阻R8、电阻R9依次串联，稳压二极管ZD1的K极连接于+50V，电阻R9的尾端连接于GND；电阻R7的一端连接于电阻R8和电阻R9的连接点、另一端连接NPN型三极管Q1的B极；电容C2的一端连接于电阻R7和NPN型三极管Q1的B极的连接点、另一端连接于GND；NPN型三极管Q1的C极与功率MOS管Q2的G极连接、E极与GND连接。
优选地，所述延迟浪涌电流及功率输入单元包括：稳压管ZD2、稳压管ZD3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C3、PNP型三极管Q3、集成电路U1、功率MOS管Q4；
所述稳压管ZD2的K极连接+50V，电容C3和电阻R11并联后一端连接GND、另一端与电阻R10的尾端连接，电阻R10的另一端与稳压管ZD2的A极连接；
所述稳压管ZD3的K极连接+50V、A极连接电阻R12和电阻R13的首端；电阻R12的尾端与集成电路U1的K极和PNP型三极管Q3的B极连接，电阻R13的尾端与PNP型三极管Q3的E极连接；集成电路U1的C极连接于电阻R11和电阻R10之间的连接处；集成电路U1的A极连接GND；
电阻R14和电阻R15串联后，电阻R14的首端与三极管Q3的C极连接，电阻R15的尾端连接GND；功率MOS管Q4的G极连接于电阻R14和电阻R15的连接处、S极连接GND、D极连接DCin-。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果。
本发明实施例提供的PD受电电路主要完成的功能是PSE设备对PD设备的检测，当PSE设备对PD设备完成检测后就会将功率传输给PD设备。现有设计中，各大PD芯片供应商将检测电路和PWM控制电路集成一体后，芯片的价格大幅度提高，而市面上有很多PWM控制芯片都能够完成PD控制芯片集成的PWM功能（如FAN760X系列，UCC28X42系列，KA28X42系列），所以本发明将检测电路用分立器件做出来并由用户配合常用的PWM芯片这种模式，首先分立器件和PWM芯片都比较便宜，其次采购都比较方便，所以本发明能够节省成本，更方便选型。
附图说明
图1是POE系统供电方法原理图。
图2是本发明的PD设备受电电路原理图。
图3是本发明实施例提供的PD设备受电电路图。
图4是PSE设备对PD设备的分类示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明PD设备受电电路主要包括以下组成部分。
签名单元A，用以实现当前PD设备被PSE设备所侦测，PSE设备可通过该单元检测连接端的是否是支持IEEE802.3af标准的受电端设备。
功率分级单元B，用以实现对PD设备分级，PSE设备可通过检测该单元的电流来确定当前PD设备所需的功率级别。
多余功率去除单元C，用以在对PD设备分级成功后去除多余的功率，避免不必要的浪费。
延迟浪涌电流及功率输入单元D，用于在电压输出正常后延迟PSE设备输出浪涌电流，同时完成功率传输。
DC/DC功率输出单元E，用于进行DC/DC变换，输出满足PD设备后级电路需求的电压和功率。
其中，上述签名单元A、功率分级单元B、多余功率去除单元C依次相互连接，延迟浪涌电流及功率输入单元D和DC/DC功率输出单元E连接，同时延迟浪涌电流及功率输入单元D与签名单元A、功率分级单元B分别相互连接。
本实施例中，PD设备受电电路的具体电路如图3所示。该图中，首先签名单元A的签名电阻R1，由于IEEE802.3af/at对它有要求，所以功率分级单元2的电阻R2、R3及R4对它会有影响，几个电阻的等效电阻要在IEEE802.3af/at对R1的要求范围内，推荐等效电阻值为（19K欧—27K欧），所以功率分级单元B影响签名单元A，其次多余功率去除单元C的目的是去除功率分级单元B中电阻R5的由于输出电压输出后在其上产生的多余功率，同时功率分级单元B保证PSE的功率电压能够传输给PD设备，签名单元A保证功率分级单元B能够被检测到，所以签名单元A、功率分级单元B、多余功率去除单元C之间是相互连接的，在完成签名单元A、功率分级单元B、多余功率去除单元C后，如果没有延迟浪涌电流及功率输入单元D，该电路在最开始签名单元A的功能时候就不能够完成，因为它会认为签名单元A的签名电阻R1是一个错误的电阻，不是PD的特征电阻，签名电阻R1的特征阻抗是（19K欧—27K欧），所以单元A、B、C、D之间相互影响和作用的。DC/DC功率输出单元E的功能是PWM控制的功率变换。
本发明的发明要点即单元A、B、C、D的电路以及连接关系和参数选取，DC/DC功率输出单元E可选取市面上的现成芯片，具体实现及连接关系详细描述如下。
签名单元A：包括签名电阻R1和滤波电容C1。RJ45网口CN1的3、6脚提供PSE输入的电源正（+50V），1，2脚提供PSE输入的电源负（GND），签名电阻R1和滤波电容C1并联接于+50V和GND间，完成签名功能，但该电阻值的选取受限制于功率分级单元B中的电阻R2、R3和R4，它们之间的等效阻抗与特征阻抗要相同。在应用时，PSE设备输出4V—10V电压检测签名单元A中的特征电阻R1（分级电压采样电阻R2、R3、R4也会参与），它们的总阻抗应该为19K欧—27K欧；检测到后，由于该总阻抗符合IEEE802.3af标准，因而认为该PD设备是一个正确的PD设备。
功率分级单元B：包括分级电压取样电阻R2、分级电压取样电阻R3、分级电压取样电阻R4、分级电阻R5、驱动电阻R6、功率MOS管Q2。其中，分级电压取样电阻R2、R3、R4首尾相连接于+50V和GND间，驱动电阻R6一端接于R3和R4的连接点、另一端与功率MOS管Q2的G极连接，用于驱动功率MOS管Q2，分级电阻R5的功能是完成PSE分级电压（18V）对PD的功率分级，分级电流见图4，通过该分级电流可以计算出分级电阻的值，该电流值为IEEE802.3af/at标准的要求。分级电阻R5的2端和功率MOS管Q2的D极连接，1端和功率MOS管Q2的S端分别连接+50V和GND，该单元完成了对PD的分级。注意分级电阻R5的功率对于3级以上设备推荐为2W，以下为1W。
多余功率去除单元C：为去除分级成功后当输入电压上升后电阻R5不必要的损耗，它由18V稳压二极管ZD1，电阻R7R8R9，电容C2，NPN型三极管Q1组成。稳压二极管ZD1的A极与电阻R8及R9依次首尾相连、K极连接+50V，电阻R9的尾端（2脚）连接GND，同时电阻R7连接于R8与R9的连接处和NPN型三极管Q1的B极，当输出电压达到设计值（20V-36V）驱动NPN型三极管Q1使得MOS管Q2由于G极为低电平截止，R5便不消耗功率。电容C2的一端连接于电阻R7和NPN型三极管Q1的B极连接处、另一端连接于GND，滤出电源电压上升过程中的干扰，防止MOS管Q2误动作。NPN型三极管Q1的C极接MOS管Q2的G极、E极接GND。
延迟浪涌电流及功率输入单元D：包括稳压管ZD2、稳压管ZD3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C3、三极管Q3、集成电路U1、功率MOS管Q4。其中，稳压二极管ZD3，电阻R10和R11为输入电压采样信号，当PSE的输入电压达到（38V—42V）后，该电路的采样电压将超过集成电路U1AZ431的基准电压2.5V。电容C3的作用在于延迟采样电压的上升时间，达到延迟开启功率MOS管Q4的目的，这样可以避开PSE上电后的浪涌电流使得PSE由于浪涌电流而关闭输出。采样电路连接如下，稳压管ZD2的K极连接+50V，电容C3和电阻R11并连后一端接GND、另一端和电阻R10的尾端（2脚）相连接。电阻R10的另一端和稳压管ZD2的A极连接。稳压管ZD2的作用是避开PSE的签名电压和分级电压，使得单元A，B能够通过。集成电路U1AZ431的作用是实现对PNP型三极管Q3的控制，不使得其工作于临界状态（要么工作截止区，要么工作于饱和区）。控制PNP型三极管Q3的电路如下：24V稳压管ZD3的K极连接+50V、A极连接电阻R12，R13的首端（1脚）。电阻R12的尾端（2脚）接集成电路U1的K极和PNP型三极管Q3的B极，电阻R13的尾端（2脚）接PNP型三极管Q3的E极。集成电路U1的C极连接采样电压的输入，即电阻R10与R11的连接处（R10的尾端（2脚），R11的首端（1脚））。集成电路U1的A极接GND。电阻R14与电阻R15串联后，电阻R14的首端（1脚）接PNP型三极管Q3的C极，电阻R15的尾端接GND。电阻R14与电阻R15的连接处接功率MOS管Q4的G极。当输入电压达到采样电压电后集成电路U1动作，使得PNP型三极管Q3也导通，功率MOS管Q4由于PNP型三极管Q3的导通而被驱动，从而也导通，当它导通后PSE的输出功率电压得以向PD的PWM控制的DC/DC变换传递。功率MOS管Q4的S极接GND、D极接DCin-。
DC/DC功率输出单元E：为市面常用DC/DC变换的PWM控制芯片，用以在功率MOS管Q4开通了以后实现后级电路需求的电压和功率，不再加以说明。
该电路还有另外一种简单的0级PD的检测方式，它将不用功率分级单元B和多余功率去除单元C，只应用延迟浪涌电流及功率输入单元D的一部分电路，这一部分电路如24V稳压管ZD3、电阻R16/R14/R15和功率MOS管Q4，电阻R16跨接于稳压管ZD3的A极和电阻R14的首端（1脚）。因为签名电阻可以用来完成签名，也可以用来完成0级PD设备识别（满足0级分级电流要求）。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种应用于以太网供电系统中受电设备的受电电路，其特征在于，该受电电路包括依次相互连接的用于实现受电端设备被供电端设备所侦测的签名单元、用于通过电流确定当前受电端设备的所需要的功率级别的功率分级单元、对受电端设备分级成功后，输入电压上升时，去除分级电阻多余功率的多余功率去除单元，以及相互连接的用于延迟供电端设备输出浪涌电流的延迟浪涌电流及功率输入单元和DC/DC功率输出单元；同时，所述延迟浪涌电流及功率输入单元与签名单元和功率分级单元分别相互连接；所述签名单元的输入端与供电设备连接，DC/DC功率输出单元的输出端与受电设备的后级电路的输入端连接。
2.如权利要求1所述的受电电路，其特征在于，所述签名单元包括特征电阻R1和滤波电容C1，所述特征电阻R1和滤波电容C1并联于+50V与GND之间。
3.如权利要求1所述的受电电路，其特征在于，所述功率分级单元包括分级电压取样电阻R2、分级电压取样电阻R3、分级电压取样电阻R4、分级电阻R5、驱动电阻R6、功率MOS管Q2；所述分级电压取样电阻R2、R3、R4依次串联于+50V与GND之间；驱动电阻R6的一端连接于分级电压取样电阻R3和R4的连接点、另一端连接于功率MOS管Q2的G极；分级电阻R5的一端与功率MOS管Q2的D极连接，另一端和功率MOS管Q2的S端分别连接+50V和GND。
4.如权利要求1所述的受电电路，其特征在于，所述多余功率去除单元包括：稳压二极管ZD1、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C2、NPN型三极管Q1；稳压二极管ZD1的A极与电阻R8、电阻R9依次串联，稳压二极管ZD1的K极连接于+50V，电阻R9的尾端连接于GND；电阻R7的一端连接于电阻R8和电阻R9的连接点、另一端连接NPN型三极管Q1的B极；电容C2的一端连接于电阻R7和NPN型三极管Q1的B极的连接点、另一端连接于GND；NPN型三极管Q1的C极与功率MOS管Q2的G极连接、E极与GND连接。
5.如权利要求1至4任一所述的受电电路，其特征在于，所述延迟浪涌电流及功率输入单元包括：稳压管ZD2、稳压管ZD3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C3、PNP型三极管Q3、名称为AZ431的集成电路U1、功率MOS管Q4；所述稳压管ZD2的K极连接+50V，电容C3和电阻R11并联后一端连接GND、另一端与电阻R10的尾端连接，电阻R10的另一端与稳压管ZD2的A极连接；所述稳压管ZD3的K极连接+50V、A极连接电阻R12和电阻R13的首端；电阻R12的尾端与集成电路U1的K极和PNP型三极管Q3的B极连接，电阻R13的尾端与PNP型三极管Q3的E极连接；集成电路U1的C极连接于电阻R11和电阻R10之间的连接处；集成电路U1的A极连接GND；电阻R14和电阻R15串联后，电阻R14的首端与三极管Q3的C极连接，电阻R15的尾端连接GND；功率MOS管Q4的G极连接于电阻R14和电阻R15的连接处、S极连接GND、D极连接DCin-。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160420 |