CN102893554A - 电力共享网络通信设备 - Google Patents

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Abstract

一组网络通信设备在它们自身之间共享(48)可用电力，以满足整体系统电力负载。个体设备(48)被配置成包括本地电源(28)，以响应于电压控制信号而变化的本地供电电压，向本地电力总线(30)传递电力。保护部件(38)连接在本地电力总线(30)与用于将该设备连接到另一设备以共享电力的外部电力电缆(18)之间。保护部件(38)基于本地电力总线(30)与外部电力电缆(18)之间电压差的方向和大小，提供用于承载电流的可中断的低阻抗直流路径。控制电路(42)用于：(a)驱动连接在设备之间的电流共亨总线，以影响表示设备之间的系统电力负载水平的系统电流共享信号的值；(b)生成表示本地电源的本地电力负载与由系统电流共享信号反映的系统电力负载之间差异的差异信号；并且(c)基于差异信号生成电压控制信号，以实现本地电源对系统电力负载的预定共享。

Description

电力共享网络通信设备
技术领域
本发明涉及诸如交换机和路由器之类的网络通信设备的领域，更具体涉及网络通信设备用来接收操作电力的技术。
背景技术
诸如交换机和路由器之类的网络通信设备通常包括电源，该电源从诸如由建筑物电力分配系统提供的所谓“干线电力”之类的外部AC(或者在某些情况下为DC)源提供指定DC电压的操作电力。可以对设备的电源进行设计和大小确定以满足特定目标，例如提供所需程度的可用性(随着时间的可靠操作)，以及适应可能出现的可合理预见的最高负载，例如由于系统需求随着时间改变而逐渐为设备增加电路板或其他负载。可用性有时候是以冗余的形式提供的，这样能够利用恰好为此目的包括在网络通信设备内部或外部的另一“待机”或“备份”电源代替发生故障的电源。
广泛使用了所谓的以太网供电(POE)技术，其中诸如IP电话之类的终端设备在用于通信的相同以太网电缆上接收来自诸如交换机之类的电力源设施(PSE)设备的操作电力。用作PSE设备的交换机包括一个或多个电源，这一个或多个电源既为该交换机提供操作电力，又为通过以太网电缆连接于供电设备的供电POE端口提供电力。因此，PSE设备中电源的大小确定和其他设计/配置标准通常必须考虑包括全部POE供电设备的整个系统中的增长和其他改变的可能性。一种一般的方法是在PSE设备中包括相对大容量的电源，为当前与预期的未来POE负载提供足够的容量。另一种方法是在PSE设备内部专门设置空间，用于随着需求的增长而在以后容纳附加的电源。另外，在系统需要高可用性的情况下，通常以位于POE交换机内部或外部的一个或多个“备份”电源的形式提供冗余。
附图说明
如附图中图示的那样，通过对本发明特定实施例的如下描述，目的、特征和优点将变得明显，在附图中，相似的参考符号在所有不同附图中指代相同的部分。附图不一定是按照比例的，重点是着重于描述本发明各种实施例的原理。
图1是包括一组电力共享网络通信设备的系统的框图；
图2是在用于将电力共享网络通信设备连接到一起的电缆中包括的子总线的示意图；
图3是在设备机架中电力共享网络通信设备的布置示意图；
图4是电力共享网络通信设备的框图；
图5是保护部件的框图；
图6是示出外部连接的控制器框图；
图7是示出在电力共享网络通信设备的电源之中或之间的控制元件的框图；
图8是电源的依赖于负载的效率的曲线图；并且
图9A和9B描述了电源中的操作区域和负载线的使用。
具体实施方式
概述
为网络通信设备提供操作电力的传统方法可能受到某些不希望的限制。在设备的系统中，一般有必要在每个设备中包括至少一个电源，并且当需要冗余来满足可用性目标时，则也包括一个或多个附加的“待机”电源(在每个设备内部或外部)。另外，经常有必要使得每个足够大小(容量)的电源来提供用于某些未来扩展配置或可预见的最坏情况负载状态所需要的电力。特别是在采用以太网供电(POE)技术的系统中，出现后一种需求。PSE交换机可以被选择为具有多个供电端口，以允许为随着时间而发生的通信以及随之而来的电力需求留出空间。交换机的电源的大小通常必须被确定为容纳在某种未来充分利用所有供电端口的情况下可能出现的负载。然而，在这个未来时刻之前，电源可能显著地利用率过低，因此表现出对资源的低效使用。尽管一些系统允许随着电力需求增长而逐渐增加电源，但增量的大小通常很大，因此仍存在某一水平的低效。另外，由于待机或备份电源可能在正常操作期间不提供任何供电容量，因此它们也可能表现出对资源的低效使用。
根据本发明的实施例，公开了方法和装置，一组网络通信设备利用这些方法和装置可以在它们之间共享可用电力以满足所有设备的总体负载。这种方案可以提供由电源资源的集中和自适应使用而出现的许多益处，例如随着系统需求扩展而出现的容量的细化增加、灵活高效的冗余提供以及为诸如更高的效率或者更长的电源寿命之类的不同目标来调谐操作的能力。
一种系统包括一组电力共享网络通信设备，每个网络通信设备包括网络通信操作电路，用于执行网络通信系统中的通信功能，例如分组交换或路由。网络通信操作电路连接到本地电力总线以获取操作电力，并构成网络通信设备的本地负载。每个网络通信设备还可以包括本地电源，该本地电源具有连接到本地电力总线从而以本地供电电压传递电力的电力输出端，所述本地供电电压可响应于电压控制信号而在某一预定范围内改变。
一组电力电缆将电力共享网络通信设备互连在一起，以使得能够在它们之间进行电力共享。电流共享总线也连接在电力共享网络通信设备之间，并且承载系统电流共享信号，该系统电流共享信号表示在电力共享网络通信设备之间分配的一组电源的系统电力负载水平。
每个网络通信设备还包括保护部件和控制电路。该保护部件连接在本地电力总线和连接到网络通信设备的相应电力电缆之间，并且基于本地电力总线与电力电缆之间电压差的方向和大小，提供用于承载本地电力总线与电力电缆之间电流的可中断的低阻抗直流路径。当本地电源被安装并操作于网络通信设备中时，控制电路执行几个控制操作，包括(a)基于本地电源的负载，驱动电流共享总线以影响系统电流共享信号的值，(b)生成表示本地电源的本地电力负载和由系统电流共享信号反映的系统电力负载水平之间的差异的差异信号，和(c)生成电压控制信号以基于差异信号控制来自本地电源的本地供电电压，从而实现本地电源对系统电力负载的预定共享。可以对该预定共享进行调整以促进上述几个目标中的任何一个。例如，可以与其容量成比例地在系统的电源当中分配负载，从而产生每个电源的相等百分比负载。这一方案可以促进所有电源的更长寿命。如下面的说明书中包括的其他示例说明的，可以使用其他共享方案来促进其他目的。
对示例性实施例的描述
图1示出了在数字通信系统使用中的电力共享网络通信设备12的一个组10。在这里，网络通信设备12用首字母缩略语“NCD”表示。每个NCD 12可以是网络交换机或路由器，例如，具有一组连接到其他设备的端口14，NCD 12为这些其他设备提供网络通信功能(例如分组交换/路由)。端口14可以是称为“xBaseT”的类型，其中x是表示操作信号速率的值，例如本领域公知的10/100/1000Mb/s。另外，一些或全部端口14能够在用于网络通信的同一电缆上向附接的设备提供DC电力。一种用于通过通信电缆提供电力的广泛使用的方案是所谓的“以太网供电”，由IEEE Std.802.3规定。根据802.3af中规定的最初方案，端口14能够以48V DC的标称电压提供高达大约15W的DC电力。根据802.3at中规定的较新方案，端口14能够以类似的电压提供大约30W的电力。具有电力提供功能的端口称为“被供电”端口。
NCD 12被示出为接收称为“干线电力”16的输入电力。干线电力一般是从建筑物的电气配电间提供的AC电力。每个NCD 12包括一个或多个电源，这些电源将干线电力16转换为DC电力以在NCD 12内使用，以及转换为去往被供电端口 14的源电力以传递给附接的被供电设备。另外的细节在下面提供。此外，NCD 12通过一组电缆18而互连，电缆18在NCD 12之间提供电力共享能力。通过在NCD 12之间共享电力，可以实现以上一般讨论的各种系统益处。如图所示，每条电缆18在一对NCD 12之间提供点对点连接，并且每个NCD 12连接到两条电缆18。图1中的布置称为“环形”互连方案(或“拓扑”)，其中每个NCD 12连接到两个邻近的NCD 12，并且NCD 12之间的整个路径形成回路或者环形。其他布置也是可能的，特别是所谓“星形”拓扑，其中每个NCD 12耦合到中心设备，中心设备提供在NCD 12之间的可切换路径。
图2示意性地图示了电缆18。为了当前描述的目的，该电缆具有三个组成部分。电力总线20是共享的DC电力流经其上的大线径电缆。在一个实施例中，电力总线20能够以标称56V承载高达40A的DC电流。电力总线20既有“热”线，又有“返回”线。在一个实施例中，热线的标称电位为-56V，而返回线的标称电位为0V。电缆18还包括用于承载信令信息的较小线径的导线，具体为电流共享(CS)总线22和通信总线24。这些项目的另外的细节在下面提供。将会意识到，术语“电缆”用于描述NCD 12之间的一组互连，通常可由一条或多条实体电缆来承载。
图3是NCD 12的组10的一种使用和布置的示意性侧视图。NCD 12是以机架安装的形状因数实现的，并且如本领域公知的，安装在电子设备机架26中。在一种常见的布置中，端口14的物理连接布置在正面(图3中的右侧)，而包括电力连接的其他连接布置在背面(图3中的左侧)。因此对于NCD 12，例如，电缆18布置在机架26的背面，如图所示将NCD 12互联。为清楚起见，图3中省略了也可在背面的、与干线电力16的连接。
图4是NCD 12的示意性框图。它被配置为包括将各自的DC输出端连接到内部或“本地”电力总线30的一个或多个内部或“本地”电源(PS)28(示为28-1和28-2)。例如，如本领域公知的，电源28可以使用某种形式的机械附件(例如，螺栓)以准永久方式安装在NCD 12内，或者NCD 12可以包括位于外围位置的各个“插槽”，电源28能够以更加模块化方式安装于其中。术语“本地”在这里用于将作为特定NCD 12的一部分或与其相关联的元件与位于其他地方(例如在另一NCD 12中)的类似元件区别开。在本地电力总线30的情况下，例如，它区别于可以视为“外部”电力总线的图2的电力总线20。本地电力总线30连接到几个附加的部件，包括：端口电路32、与通信操作电路36相关联的中间总线转换器(IBC)34、保护部件(PC)38和与端口电路32相关联的DC-DC转换器40。NCD 12还包括控制器42和分别用于干线电力16和电缆18的连接器44、46。在图4的布置中，NCD 12具有与分别标有后缀A和B的两条电缆18的连接。这种标记也用于NCD 12的分别与电缆18A和18B相关联的内部部件(例如电缆18A的保护部件38A，等等)。
通信操作电路36与端口32协同操作，以提供网络通信功能。例如，在网络交换机的情况下，通信操作电路36包括高带宽交换构造和与端口电路32的连接，端口电路32根据多种通信协议中的任何一种在端口14之间路由通信分组。端口电路32提供与端口14相连的通信链路的物理层端接并且可能还提供逻辑层端接，而且还作为这样提供的交换或其他功能的一部分而与通信操作电路36交换通信分组。此外，如前所述，一些或全部端口14是被供电端口，这些被供电端口将来自本地电力总线30的DC电力提供给在附接到端口14的通信电缆的另一端上连接的被供电设备。将会意识到的是，被供电端口14的负载可能是相当大的。例如，在具有根据802.3at标准操作的48个被供电端口的NCD 12中，总体负载可能大约为1500W。如下面更详细描述的，这个需求有几种含义，包括如下希望：该希望包括在某些过载或故障状态下从本地电力总线30上断开端口14的“减载”能力。
通信操作电路36从IBC 34接收操作电力，IBC 34将本地电力总线30的56V总线电压转换为更适用的较低的“中间”电压，例如12V。在通信操作电路36内可能有一个或多个另外的转换器用于其他所需的操作电压。以类似的方式，DC-DC转换器40从本地电力总线30为端口电路32生成适用的操作电压。
PC 38和连接器46提供与各条电缆18和外部电力总线20(图1)的连接。如下面更详细描述的，通过在NCD 12各自的本地电力总线30之间提供直接的DC连接，并操纵各自的本地电源操作电压以实现希望的电力共享模式和数量，与其他NCD 12共享电力。PC 38能够在正常操作状况下启用任意方向(进入或离开NCD 12)的电流，并且在瞬变(例如，启动)或故障状况下启用NCD 12和电缆18之间的保护性隔离。
如下面更详细描述的，控制器42负责控制电力共享操作的各方面。控制器42通常具有与图4中示出的NCD 12的所有其他部件以及通过图2的CS总线22和通信总线24与其他NCD 12的功能性连接。在一些实施例中，可能希望的是，控制器42主要专注于电力控制和紧密相关的功能，例如环境监控。在这样的情况下，控制器42可以用包括CPU、存储器(ROM和RAM)及各种外围及接口电路的所谓“片上系统”的形式来实现。控制器42可以在通信操作电路36内的处理器执行的高级控制下操作，通信操作电路36负责NCD 12的整体操作，包括其在网络管理方案中的参与。这样的处理器通常执行实时操作系统，例如来自思科系统公司的
Figure BDA00002351190100071
系统。控制器42的某些连接和功能的细节在下面提供。
虽然图4主要是功能图，但将会意识到，将图4作为俯视图，图4中部件的布置通常也可以表示示例性的物理布局。因此图4也包括其中可以安装各种部件的外壳48的表示。在物理上，PS 28一般是伸长的砖形物，并且端口电路32可以由跨越邻近前面板的NCD 12的宽度的狭长电路板来实现。通信操作电路36可以实现为单个比较大的电路板，可能包含用于存储器或其他部件的所谓“子”卡。在一些实施例中，可能希望的是将PC 38和连接器46(表示为保护电路50)安装在单个电路板上。这可以是例如所谓“夹层”板的形式，该板平行于包含通信处理电路36的较大电路板而放置并且面向它，并且包括用于内部和外部连接的适当连接器。
图5图示了保护电路50。再次使用后缀A和B将部件与附接于NCD12的各条电缆18A、18B相关联。保护电路50包括与电缆18的连接器46和用于内部连接的内部连接器52。如上所述，连接器52可以连接到包含通信操作电路36的电路板。对于每条电缆18，都存在连接器46和PC38。如图所示，每个PC 38包括与二极管D并联、还与感测电阻器R和感测电感器L串联的功率FET(场效应晶体管)Q。每个PC 38还包括电流感测放大器(CS)54和短路检测器(SD)56。示出为CS总线开关58的模拟开关提供内部CS总线60与A和B侧CS总线22的选择性连接。
本地电力总线30被如图所示地连接。标有-56V的“热侧”直接连接到连接器46。标有RET的返回侧连接到每个PC 38，具体地是连接到每个PC 38中的Q(D)-R-L串联电路的一端。这些串联电路中每一个的另一端连接到相应的连接器46，以连接到相应的电缆18的电力总线20的返回线。
保护电路50通常如下操作。各个FET Q的导通由相应的FET ENA(FET使能)信号控制。12V偏置用于生成足够高的“ON”(导通)栅极电压，以使FET Q能够以低导通电阻和最小电压降(例如，0.2伏特)在任一方向上传导电流。当FET Q完全关断时，即，当NCD 12在功能上与相应电缆18断开连接时，二极管D防止由该NCD 12向外部电力总线20上的电流输送。要注意的是，NCD 12的完全隔离假定在电缆18远端的NCD 12禁用相应的FET，这是因为如果有外部源，则Q-D组合能够允许由该NCD 12吸入电流。将会意识到，FET Q具有称为“体二极管”的固有的源极至基体二极管，如果晶体管Q的源漏电压变得足够高，则该源极至基体二极管将传导电流。这种体二极管的导通最好被避免，因为这会损害晶体管Q。因此，二极管D最好是具有足够低的导通电压的肖特基二极管或类似的二极管，以防止晶体管Q的体二极管导通。
如本领域公知的，电阻器R是用于通过形成相应的感测电压来感测电流的低值电阻器。这个电压由CS电路54来感测，所述CS电路生成路由到内部连接器52的输出电流信号OC。以类似的方式，电感器L是在输出电流中存在突变(高的dI/dt)时用于形成相应电压的低值电感器，并且这个电压被SD电路56使用，以对路由到连接器52的OC信号的值作出贡献。
CS总线开关58将CS总线60选择性地连接到和连接自电缆18A、18B的CS总线22(图2)。
在操作中，NCD 12可以变得在功能上连接到每个处于“热”(即，通电)状态中的电缆18。这产生了电缆18和/或本地电力总线30上的不希望的瞬变的可能性。为了避免这样的瞬变或者将其最小化，优选的是，在NCD 12与电缆18的任何受控连接/断开期间，缓慢地接通或关断FETQA、QB。这可以通过控制器42的驱动相应FET ENA信号的适当操作来实现。
图6示出了根据一个实施例的控制器42的某些细节。控制器型CPU62(即，具有内部RAM和程序ROM)接口连接到数字/模拟电路64，数字/模拟电路64接收输入信号，并生成去往诸如图4中所图示的NCD 12的其他电力相关部件的输出控制信号。几个信号对于每条电缆18A、18B是重复的，这些信号用括号(A，B)表示。用(1，2)表示为电源28重复的信号。下面的表1描述图6中示出的信号。
表1-控制信号
Figure BDA00002351190100091
尽管上面的描述以所谓“片上系统”形式呈现了控制器42，但是在替换的实施例中，可以以用于处理的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和其他数字逻辑以及外部模拟及混合信号部件(例如，A-D转换器、比较器)来实现。
图7图示了各个电源28及相关控制电路的某些细节。为了使图中的拥挤感最小化，除了用于电源28本身的参考数字之外通常省略后缀1、2。将会意识到，每个电源28包括在该图中重复的各种部件的单独实例。
核心电源功能由电力开关和滤波电路(S/F)66连同脉宽调制电路(PWM)68实现，如本领域公知的，脉宽调制电路68生成对其脉冲宽度进行了调制的高速率开关控制信号，以便调节电源28的输出。PWM电路68响应于由感测电路70感测到的输出电压和电流的值来操作。每个电源28在与本地电力总线30的连接上通常还包括输出保护电路72。
PWM电路68还响应于来自参考电路74的参考信号来操作。参考信号建立目标操作电压，PWM电路68通过其操作来实现该目标操作电压。因此，参考信号可以视为电压控制信号。参考信号的值受两个不同的控制回路影响。如下所述，在每个电源28的层面上，负载线(LL)控制电路76对电源28的操作施加某些限制。去往每个电源28的参考电路74的另一输入来自于电流共享(CS)控制电路78。同样如下所述，这个电路施加控制以通过电源28实现总系统负载电流的所希望的共享。在所述实施例中，CS控制电路78被实现为图4和6的控制器42的一部分。对于LL控制电路76优选的是包括在每个电源28内，这是因为它优选以等于或类似于PWM电路68的开关频率的速率操作。
现在提供两个示例来描述通过每个NCD 12的CS控制电路78的操作部分地实现的负载共享功能。
第一示例反映在下面的表2中，说明如下。有三个NCD 12，每个NCD 12在系统操作电压(标称56V)具有20A输出电流的电源容量。注意，这个容量可以由在给定的NCD 12处的一个或多个PS 28提供——为了方便而在这些示例中使用单独的“电源”，但不失普遍性。每个NCD12还具有以安培计量的本地负载(Load)，并且其电源提供作为占其额定最大输出电流的百分比(％)的供电电流(Supp)。有三组值，在某一初始时刻的初始组、响应于负载的变化立即出现的中间组和随着系统在电流共享控制回路电路的响应时间上自动调整到新负载而获得的最终组。
表2-负载共享示例1
Figure BDA00002351190100101
最初，每个NCD的负载为10A，并且每个本地电源提供10A的电流。总系统负载为30A，这是系统供电容量的50％。由于电源都是相同的并以其各自容量的50％操作，因此在NCD 12之中没有电流共享。这将反映在其各自都是基本相等的本地供电电压上，使得在任何方向上都未通过保护电路38和电缆18传导电流。
中间状态开始于NCD#1的负载从10A下降到4A。这个下降最初被NCD#1的本地电源吸收，使得其本地％降为20％。其他NCD 12最初保持在50％的值上。NCD#1的％值现在是系统中最低的％值，因此其值通过CS总线22广播到其他NCD 12。现在系统进入最后引导至最终操作状况的调整期，其中与24A的新系统负载相对应，每个NCD 12的％稳定在新值40％上。
调整是如下发生的。每个NCD 12中的CS控制电路78将其自己的％与CS总线22上反映出的系统％进行比较(例如，通过用一个减去另一个，并将结果与0进行比较)。如果本地％高于系统％，则CS控制电路78向下调整其本地电源28的电压(通过本地参考电路74)，如果该％等于或小于系统％，则CS控制电路78向上调整本地电源电压。这个操作的主要效果是创建或修改NCD 12的一个或多个保护电路38上的电压降的量，这进而创建或修改通过相应电缆18从一个NCD 12流向另一个的电流的大小和方向。随着电缆18上的电流改变，相应电源的负载也改变，这引起CS总线22上的本地％值与系统％值的关系改变，从而在本着使所有NCD 12的电源上的负载的相关共享均等的目的，引起进一步的电压调整等等。
在正常情况下，调整引起如表2中的“最终”表示的新的稳定操作状况，其中能够看到现在每个电源的负载为40％。将会意识到在这种操作状况下，NCD#1的电源向其本地负载提供4A的电流，并通过相应的电缆18向NCD#2和#3每个提供2A，总共为8A。因此，NCD#2和#3处的操作电压将被向下调整为小于NCD#1处的电压，以便从其获取这个数量的电流。这些电压的精确值将取决于各种因素，包括“跳跃”或电流通过其流向另一NCD 12的中间NCD 12的数量。在这个只有三个NCD的简化示例中，每个NCD可以通过相应的电缆18彼此直接连接(即，如图1中的环形结构)。但是在具有以环形或链状结构耦合在一起的更多NCD 12的系统中，从一个输送电流的NCD 12到另一个接受电流的NCD 12，可能有一个或多个跳跃，在这种情况下，对于获取所需电流而言必需的电压模式将不同于简化示例1中的那些。
下面的表3呈现了描述操作的另一方面的第二简单示例。在这种情况下，NCD 12的电源容量不等。具体地，假定NCD#1的电源容量为10A，NCD#2为20A，NCD#3为30A。在这种情况下，不同的电流绝对值对应于负载的同一相对共享。在初始状态下，电源的负载分别为5、10和15A，但是这些值中的每个都表示相应电源的相同的50％负载。因此，在初始状态下，NCD#3提供5A的电流给NCD#1以满足其负载。
在这个示例中，在中间状态开始时，在NCD#2出现负载阶变。调整引起“最终”状态，其中每个电源再次操作于40％，但是现在由于其各自容量而出现不同的绝对电流。NCD#1从NCD#2获得4A，并从NCD#3获得2A。
表3-负载共享示例2
Figure BDA00002351190100121
如前所述，NCD 12处的用于实现希望的负载共享的电压精确模式取决于多种因素，例如包括NCD 12的数量和布置以及每条电缆18和保护电路38两端出现的电压降(其可以是通过这些元件的电流电平的函数)。通常，还将有由系统规范对操作电压施加的绝对限制。例如，802.3at标准规定在端口14的输出端处的电压在50-57V的范围内。因此，内部电力总线30的电压不应当超出这个范围。这些限制可以由控制器42中的逻辑/电路强制执行。当系统在进行调整并且一个或多个NCD 12触及电压上限或下限时，如果其他NCD没有触及极限将由此自动作出响应。在正常操作中，不应出现一个NCD 12在上限而另一个在下限的状况，因为这将表明调整容量已被完全使用，并且对负载中一些增加的额外变化不可能进行进一步调整。这将是错误操作状况(例如，过载)或者系统设计或结构上的缺陷。还应该注意到，可能希望对由CS控制电路78使用的调整算法进行偏移，以促进在整个操作电压范围的特定子范围中的操作。例如，如果该算法偏向比向下调整更快地进行向上调整，则可以促进整个范围的更高端的操作。
上面的论述说明了以均等的相对负载为特定示例目的，在电力共享NCD 12的系统中的负载/电流共享操作。在稳态行为(例如，负载共享的程度和分配)以及现在描述的动态行为方面存在可能的修改和变化。
简要地说，关于稳态行为，上面的示例将均等负载共享的目标假定为容量的百分比，并且可以预期到这将是典型的实施例。但是，也可能有使用目的或操作目标的替换实施例。例如，对于某些电源28，为了更高的效率或某一其他原因在一个或另一个方向上对操作进行偏移可能是优选的。在这种情况下，一个或多个NCD 12处的CS控制电路78可以向共享％施加某一因素，使得出现希望的不均等共享。例如，也许最好是更大的电源12以更高的相对负载操作。在这种情况下，具有这样大电源12的NCD 12的CS控制电路78可以进行电压调整，使得本地电源12以高于系统％的某一希望的分数来操作，例如以在系统％的1.1或1.2倍来操作。当然可以使用其他模式的不等或优先级化共享。另外，指定共享方案的参数在系统配置中可以是固定的或为了灵活性而是可编程的。
优先级化的电流共享的一种具体情况可以基于实现高效率操作。众所周知，开关电源表现出依赖于负载的效率(输出电力与输入电力的比)。图8中示出了效率与负载的关系的一般曲线图。如果可能，可以将负载共享布置为使一个或多个电源28的效率最大化。这种共享可以十分不同于上述的均等共享。在诸如上述示例1的系统中，设想每个电源在75％负载时具有峰值效率，而在低得多的负载时具有相当低的效率。在这种情况下，从效率的观点看可能优选的是以75％操作两个电源(假设在不同的NCD 12中)，而以任何更低的百分比操作的第三电源(在第三NCD 12中)需要提供其余的所需操作电流。或者，电源12中的一个可以被完全禁用，使得其余的两个电源12在更高效的更高操作点自动共享负载。其他控制方法当然也是可能的。
虽然以上的描述集中在都具有起作用的电源的NCD 12之间的负载共享，但将会理解的是，负载共享也可以发生在一个或多个NCD 12没有电源(通过设计或配置)或者有不起作用的电源(例如，由于操作期间的故障)时。不具有起作用的本地电源的NCD 12不参与由CS总线22控制的电流共享。相反，负载共享是通过每个NCD 12的控制器42的更高级控制机制的动作而发生的，该机制包括用信号通知以下内容：本地电源28的功能的缺乏或丧失，以及在具有功能性电源12的其他NCD 12之间重新分配整体系统负载(包括具有缺乏/故障电源12的NCD 12处的负载)的响应。这种重新分配可以部分地利用如下所述的“电力预算”来实现。
目前公开的电力共享技术也可以用于在系统中提供冗余以增强可用性。可以意识到，在个体NCD 12内以及全系统范围内，一组电力共享NCD 12进行操作来调整电源容量与负载之间关系的改变。例如，系统可以配置有仅在电源12的故障情况下使用的备用容量。该备用容量包括在电流共享控制范围内，使得可以参与在此描述的负载共享。这种形式的冗余通常称为“N+1”或“主动-主动”冗余，意味着所有硬件资源(例如，电源12)在正常操作中以及故障发生后都被使用，但在正常操作期间，备用容量被预留以在故障(例如，一个电源12的故障)情况下满足系统负载。该能力部分地由系统配置(提供足够的整体电源容量)和用于以如下方式限制正常使用的电力消耗的机制来提供：当指定故障发生时，总是可以用足够的备用容量来接替损失的容量。
一种用于预留备用容量的机制可以称为“电力预算”。电力预算是表示仍然可使用的供电容量的量的数字，并且可以按如下方式计算：
Pbudget＝Psys-Pused-Pavail
其中，Psys表示总供电容量，Pused表示已分配使用的(无论实际上当前是否使用)电力量，Pavail表示为满足可用性需求而预留的电力。在任意给定的时刻，新的负载可以加到系统中，只要不超出Pbudget。在不需要N+1冗余的系统中，Pavail为0。这可以视为直线“负载共享”操作模式。使用非零Pavail表示“冗余”模式中的操作。
以上对电力预算的描述可以看做是系统级的描述，考虑了参与电力共享组的所有NCD 12上的负载和供电容量。将会意识到，还有一种在个体NCD 12级别的电力预算的观点。从这个观点来看，以上对Pbudget的计算还包括Pcable，通过附接到NCD 12的电力共享电缆18提供给其他NCD 12的电力量。虽然理论上NCD 12的整个组可以由一个NCD 12中的一个大电源28供电，但是在能够由NCD 12输送或接受的外部电力的量上有许多实际的限制。其中一个是CS总线22的电流容量。注意，在这方面，用于多个接受NCD 12的电流可以流经附接于输送NCD 12的一个CS总线22。另一个限制是能够容忍的最低操作电压(例如上面论述过的)，该电压对从作为输送NCD 12到接受NCD 12的整体电压降设定了边界。这个电压边界对应于能够被传送的电流(电缆和其他部件两端的IR下降)和电力的边界。通常在总体系统规划和配置以及操作期间都必须考虑这些限制，以避免在NCD 12超出节点特定的电力预算。
以上的示例1和2还描述了操作的动态方面。当在NCD 12处出现负载阶变(负载电流中的突变)时，由本地电源28首先响应。最初，本地电源调整它们的操作(通过PWM电路68的操作)以试图符合新的负载状况。如果该负载阶变足够小，则本地电源28将能够快速(即，大约1ms)调整到新的负载状况，然后CS控制电路78在较长时间段(几十ms)上进行操作以调整所有NCD 12处的操作电压，从而实现总系统负载的重新分配。然而，可能的是，负载阶变可能增大到本地电源28不能持续应对的新负载值。例如，本地电源28可以额定提供10A的最大持续电流。如果本地负载增大到超过10A(例如，到12或15A)，而整体系统负载保持在预期的边界内，则电流共享操作将及时在所有NCD 12的电源28之间重新分配负载，使得没有电源28过载，包括10A的本地电源28。但是，在重新分配发生之前，本地电源28可能暂时过载。通常，会希望电源28能够应对某一指定持续时间的暂时过载，从而使得电流共享机制能有时间来部分或全部地将负载重新分配成可持续模式(和/或为了发生减载，如下所述)。用于暂时过载的容量通常将取决于很多方面，例如电流共享机制的响应时间、预期的负载阶变的大小和电源28的设计。
图9A是示出电源28的输出电压V和输出电流I的操作范围的图。区域A被称为安全连续操作区，即电源28能够无限期保持的操作区域。区域A与高电力区域B由恒定电力(C-P)曲线分离开。在典型的电源中，由于可能希望吸收瞬变，过流保护电路可能只在非常短的时间段内允许区域B中的操作。区域C由硬性最大电流限度来定义，在图9A中示为19.5A。由于电流限制电路迅速地操作，以防止非常高的过载电流引起损坏，因此区域C中的操作通常不会出现。
可以使用的一种技术是以如下方式来管理操作区域之间的转变：区分正常的暂时负载阶变(其将被电流共享机制吸收)和需要迅速的动作来避免损坏的真正过载状况。可能允许电源28在某个非常短的时间段内操作于区域B或者甚至区域C。然而，一个问题是需要电路基于操作电压和电流来连续地执行电力计算，以确定电源28是否已经进入区域B。例如，该计算如果由诸如控制器42之类的处理器执行则通常会相当慢。可能需要更快的事物来实现对负载阶变的快速暂时反应，而电流共享机制提供更长期的响应。
图9B图示了可以用于这种目的的技术。可以使用两条或更多条“负载线”来检测和控制过载操作。因为负载线简单地由其终点定义，所以少量的专用硬件(即，LL控制电路76)可以用于连续地监控大约为PWM电路68的操作周期(例如，几十微秒)的非常快的响应时间的操作。在所图示的示例中，第一负载线称为恒定电力(CP)线，其接近于将区域A和B分离的C-P曲线。示出了另外的负载线，其在限制区域C的操作的同时维持相应的输出电压(如图所示，54V、53V等等)。在区域C中每条负载线下面的范围中的操作的大小和持续时间可以指定给电源28，以实现安全操作与足够的连续操作之间的所希望的平衡，从而使得电流共享机制能够工作。
简要地说，利用负载线的操作包括(1)根据相对陡峭的恒定电力(C-P)负载线，在降低输出电压的同时增大电流，和(2)根据相对浅的恒定电压负载线，进一步降低输出电压同时进一步增大电流。该操作运用暂时过载来打破将要做出的电流共享调整的保护和提供充足时间之间的所希望的平衡。
虽然上面的描述是按照暗示总负载电流的增大的“负载阶变”来进行的，但是将会意识到，该描述同等地适用于供电容量的突然丢失，例如在电源28发生故障时。因此，将会理解，在这里使用的“负载阶变”通常是指影响负载电流与供电容量之间的关系从而需要超过每个电源28内提供的正常调节功能的响应的任何事件。这些响应包括如上所述的电流共享和负载线限制，以及下面描述的减载。
减载是可以用来应对过载状况的另一种机制。减载通常是指有目的地断开负载与电力分配网络的连接，以避免持续的全系统过载状况。注意，这种过载既可能由于超过电流容量的负载突增而出现，也可能由于突然某一容量的突然丢失(例如，电源28)而出现。因此，减载可以视为对冗余机制的替换或者补充。在正常状况下，将会预期到不会发生减载，并且NCD 12提供高可用性的网络通信操作。但是在相当罕见的操作状况的情况下，可以选择性地减少负载，以试图维持安全操作的水平，直到状况被校正为止。
任何减载方案都假设存在能够选择性地断开负载的机制，例如位于策略点并且具有能够由减载控制电路使用的开关控制输入的机械或电子开关(例如，FET)。减载可以在本地或全系统进行，或者在本地和全系统都进行。在如这里描述的实施例中，控制功能可以由在控制器42和在每个NCD 12的通信操作电路36的处理器中执行的适当软件来实现。注意，端口 14的电源电路通常已经包括也能够用于实现POE负载电流的减少的保护电力开关(FET)。可能还希望能够使整个通信操作电路36脱离，尽管这由于负载相当低可能具有有限的效果，并且也假设其中至少在减载操作这方面不涉及到处理器。
还可能希望的是，利用优先级方案来减载，以控制对系统操作的破坏的性质。作为示例，在给定的NCD 12内，POE端口14可以基于它们所附接到的设备或客户而被归类为高优先级或低优先级。例如，桌面IP电话的端口可以被归类为低优先级(并被首先脱离)，而安全相机或类似装置的端口可以被归类为高优先级(并被较晚脱离)。优先级同样也可以施加于NCD 12的等级，使得例如可以将一个完整的低优先级NCD 12作为减载的部分而断开(通过使用保护部件38将该NCD与其余的NCD 12隔离来实现)。无论使用哪种方案，在需要解决过载状况时，优选地以从最低优先级到最高优先级的顺序摆脱负载。应该强调的是，减载优选地基于实际负载而不是上面讨论的预算负载。如果NCD 12内的电力预算例如由于电源28的故障而被超出，则将使得校正动作被采用，但是同时，系统将尽可能操作来满足负载(尽管对额外的故障的容忍降低)。在实际负载超出可用供电容量时开始减载。
尽管已经具体地示出并描述了本发明的各种实施例，但本领域的技术人员将会理解到，在不背离随附的权利要求所定义的本发明的范围的情况下，可以在其中进行各种形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种网络通信设备，其用作一组电力共享网络通信设备中的一个，该网络通信设备包括：
本地电力总线；
网络通信操作电路，其构成连接到所述本地电力总线的本地负载，以从所述本地电力总线获取操作电力；
本地电源，具有连接到所述本地电力总线从而以本地供电电压向所述本地电力总线传递电力的电力输出端，所述本地电源进行操作来响应于向其提供的电压控制信号在预定范围上改变所述本地供电电压；
保护部件，连接在所述本地电力总线和外部电力电缆之间，所述外部电力电缆在操作时用于将所述网络通信设备连接到所述电力共享网络通信设备中的另一个，所述保护部件基于所述本地电力总线与所述外部电力电缆之间的电压差的方向和大小，提供用于承载所述本地电力总线与所述外部电力电缆之间电流的可中断的低阻抗直流路径；和
控制电路，进行操作来(a)驱动连接在所述电力共享网络通信设备之间的外部电流共享总线，以影响由所述电流共享总线承载的系统电流共享信号的值，所述系统电流共享信号表示在所述电力共享网络通信设备之间分配的一组电源的系统电力负载的水平，(b)生成表示所述本地电源的本地电力负载与由所述系统电流共享信号反映的系统电力负载的水平之间差异的差异信号，并且(c)基于所述差异信号生成所述电压控制信号，以实现所述本地电源对所述系统电力负载的预定共享。
2.根据权利要求1的网络通信设备，其中所述保护部件包括：串联布置在所述本地电力总线和所述外部电力电缆之间的功率场效应晶体管、电流感测电阻器和短路检测电感器。
3.根据权利要求2的网络通信设备，其中所述保护部件还包括与所述功率场效应晶体管并联连接的功率肖特基二极管，所述肖特基二极管以与所述场效应晶体管的体二极管的朝向类似的方式来定向，并且具有低于所述体二极管的导通电压，以防止正常操作期间所述体二极管的导通。
4.根据权利要求1的网络通信设备，还包括以太网供电电路，该太网供电电路太网供电电路包括多个被供电以太网端口，进行操作以从所述本地电力总线向通过电缆附接于所述被供电以太网端口的远端被供电设备提供电力，并且其中所述控制电路还操作来对所述电压控制信号施加限制，以便将所述本地供电电压维持在与所述远端被供电设备预期的直流电力的电压范围相对应的预定电压范围内。
5.根据权利要求4的网络通信设备，其中所述预定电压范围是50至57伏特直流，并且其中所述网络通信设备将用于环形结构中，所述一组电力共享网络通信设备在被所述环形结构中的一个或多个介于中间的电力共享网络通信设备分开的电力共享网络通信设备之间引起多个累积电压降。
6.根据权利要求4的网络通信设备，其中所述网络通信操作电路需要一个或多个相当低的操作供电电压，并且包括各自的DC-DC转换器，所述DC-DC转换器进行操作以从具有小于所述本地供电电压的中间总线电压生成所述操作供电电压，并且还包括中间总线转换器，所述中间总线转换器连接到所述本地电力总线并且进行操作以从所述本地供电电压生成所述中间总线电压。
7.根据权利要求1的网络通信设备，其中所述保护部件是第一保护部件，并且所述外部电力电缆是将所述网络通信设备连接到所述一组网络通信设备中的第一个的第一外部电力电缆，并且还包括连接在所述本地电力总线和第二外部电力电缆之间的第二保护部件，所述第二外部电力电缆在操作时用于将所述网络通信设备连接到所述一组电力共享网络通信设备中的第二个，所述第二保护部件基于所述本地电力总线与所述第二外部电力电缆之间的电压差的方向和大小，提供用于承载所述本地电力总线与所述第二外部电力电缆之间电流的可中断的低阻抗直流路径。
8.根据权利要求1的网络通信设备，其中所述本地电源包括实现与对输出电压和输出电流的限制相对应的两条或更多条负载线的过载控制电路，所述过载控制电路在远远小于完成所述系统电力负载的预定共享所需时间的响应时间内进行操作来(1)根据相对陡峭的恒定电力负载线，降低输出电压并增大电流，并且(2)根据相对浅的恒定电压负载线，进一步降低输出电压并进一步增大电流。
9.根据权利要求1的网络通信设备，其中所述网络通信设备与所述一组电力共享网络通信设备协同实现预留备用电源容量的N+1式冗余，在所述电力共享网络通信设备中任何一个的电源发生故障的情况下，所述备用电源容量可用于通过正常的电流共享操作满足系统电力负载。
10.根据权利要求1的网络通信设备，还包括以太网供电电路，其包括多个被供电以太网端口，这些端口进行操作以从所述本地电力总线向通过电缆附接于所述被供电以太网端口的远端被供电设备提供电力，并且其中所述控制电路还响应于过载状况进行操作来执行以下的一个或多个：(a)选择性地将所述被供电以太网端口与所述本地电力总线断开连接，(b)将所述通信操作电路与所述本地电力总线断开连接，和(c)将所述网络通信设备的本地电力总线与外部电力电缆断开连接，以降低系统电力负载，这样的断开连接是根据要减少的负载的预定的基于优先级的顺序的。
11.根据权利要求1的网络通信设备，其中所述系统电力负载的所述预定共享至少部分地基于在效率最高的点操作所述一组网络通信设备的一个或多个电源的目的，而不管所产生的系统电力负载在所述网络通信设备之间的不均等共享。
12.根据权利要求1的网络通信设备，其中所述控制电路在所述本地电源的故障情况下进行操作以避免驱动所述外部电流共享总线，以便不影响所述系统电流共享信号的值。
13.一种操作用作一组电力共享网络通信设备中的一个的网络通信设备的方法，所述网络通信设备包括：本地电力总线；网络通信操作电路，其构成连接到所述本地电力总线的本地负载，以从所述本地电力总线获取操作电力；和本地电源，其具有连接到所述本地电力总线从而以本地供电电压向所述本地电力总线传递电力的电力输出端，所述方法包括：
基于所述本地电力总线与外部电力电缆之间电压差的方向和大小而允许所述本地电力总线与所述外部电力电缆之间的电流流动，所述外部电力电缆用于为了电力共享的目的将所述网络通信设备与所述一组网络通信设备中的另一个相连接；
驱动连接在所述电力共享网络通信设备之间的外部电流共享总线，以影响由所述电流共享总线承载的系统电流共享信号的值，所述系统电流共享信号表示在所述电力共享网络通信设备之间分配的一组电源的系统电力负载的水平；
生成表示所述本地电源的本地电力负载与由所述系统电流共享信号反映的系统电力负载的水平之间的差异的差异信号；以及
生成由所述本地电源用于在预定范围内改变所述本地供电电压的电压控制信号，所述电压控制信号是基于所述差异信号生成的，以实现所述本地电源对系统电力负载的预定共享。
14.根据权利要求13的方法，其中所述本地电源包括过载检测电路和内部保护电路，所述过载检测电路进行操作来检测过载状况并产生过载信号，并且所述方法还包括通过采取行动以在内部保护电路操作以禁止从所述本地电源提供输出电力之前消除过载状况，来对所述过载信号作出响应。
15.根据权利要求13的方法，还包括与所述一组电力共享网络通信设备协作以实现预留备用电源容量的N+1式冗余，在所述电力共享网络通信设备中任何一个的电源的故障情况下，所述备用电源容量可用于通过正常的电流共享操作来满足所述系统电力负载。
16.根据权利要求13的方法，其中所述网络通信设备还包括以太网供电电路，包括多个被供电以太网端口，进行操作以从本地电力总线向通过电缆附接于所述被供电以太网端口的远端被供电设备提供电力，并且所述方法还包括响应于过载状况将所述被供电以太网端口与所述本地电力总线断开连接。
17.根据权利要求13的方法，还包括，在所述本地电源发生故障的情况下，避免驱动所述外部电流共享总线，以便不影响所述系统电流共享信号的值。
18.一种网络通信系统，包括：
一组电力共享网络通信设备，其中每个电力共享网络通信设备包括网络通信操作电路，用于执行网络通信系统中的通信功能，所述网络通信操作电路连接到本地电力总线以从所述本地电力总线获取操作电力，并构成各个网络通信设备的本地负载，每个网络通信设备被配置为在其中安装本地电源，所述本地电源具有连接到所述本地电力总线从而以本地供电电压向所述本地电力总线传递电力的电力输出端，所述本地电源进行操作以响应于向其提供的电压控制信号在预定范围内改变所述本地供电电压；
一组电力电缆，将所述电力共享网络通信设备互连在一起，以使得能够在其间进行电力共享；和
电流共享总线，连接在所述电力共享网络通信设备之间，并且进行操作以承载表示在所述电力共享网络通信设备之间分配的一组电源的系统电力负载水平的系统电流共享信号；
其中每个网络通信设备还包括：
保护部件，其连接在所述本地电力总线与连接到所述网络通信设备的电力电缆中的相应一条之间，所述保护部件基于所述本地电力总线与相应电力电缆之间的电压差的方向和大小，提供用于承载所述本地电力总线与所述相应电力电缆之间电流的可中断的低阻抗直流路径；和
控制电路，当各个本地电源被安装并操作于其中时进行操作从而(a)基于所述本地电源的负载，驱动所述电流共享总线以影响所述系统电流共享信号的值，(b)生成表示所述本地电源的本地电力负载与由所述系统电流共享信号反映的系统电力负载的水平之间的差异的差异信号，和(c)基于所述差异信号生成所述电压控制信号以控制来自所述本地电源的本地供电电压，从而实现所述本地电源对系统电力负载的预定共享。
19.根据权利要求18的网络通信系统，其中每个电力共享网络通信设备包括两个保护部件，其中每个保护部件连接在所述本地电力总线与所述电力电缆中的相应一条之间，并且其中所述电力共享网络通信设备在数量上是三个或更多个，并且以环形方式被所述电力电缆互连。
20.根据权利要求18的网络通信系统，其中每个电力共亨网络通信设备包括两个保护部件，其中每个保护部件连接在所述本地电力总线与所述电力电缆中的相应一条之间，并且其中所述电力共享网络通信设备在数量上是三个或更多个，并且以星形方式被所述电力电缆互连。
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