CN106105094A - 用于PoDL的宽带电力耦合/解耦网络 - Google Patents

用于PoDL的宽带电力耦合/解耦网络 Download PDF

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Abstract

一种经由数据线供电PoDL系统包含电力供应设备(32)，所述电力供应设备(32)经由单个双绞线对(14)将DC电力及以太网数据供应到受电装置PD。所述PSE(32)通过级联耦合网络(30)供应所述DC电流(34)及AC数据，所述级联耦合网络(30)包含一系列AC阻挡电感器级(L1到L4、CL1到4)，其具有不同的电感以大体上滤除所述AC分量且传递所述DC分量(34)。经由电容器(C1、C2)将所述数据供应到所述线。所述PD可具有匹配的解耦网络以用于将分离的DC电力及数据提供到PD负载。

Description

用于PoDL的宽带电力耦合/解耦网络
相关申请案的交叉参考
本申请案主张由安德鲁J.加德纳(Andrew J.Gardner)在2014年4月9日申请的第61/977,299号美国临时申请案的优先权。
技术领域
本发明涉及经由数据线供电(PoDL)系统，其中经由差分数据线传输DC电力。更特定来说，本发明涉及用于此类系统的将DC电力及AC数据耦合到电力供应设备(PSE)处的双绞线对且将DC电力及AC数据从受电装置(PD)处的双绞线对解耦的宽带网络。
背景技术
在PoE中，将有限的电力从以太网交换机传输到连接以太网的设备(例如，VoIP电话、WLAN发射器、安全摄像机等等)。在一种类型的PoE系统(称为PoDL)中，经由单个双绞线对传输来自交换机的DC电力。相同的双绞线对还发射/接收差分数据信号。以此方式，可消除对用于提供用于PD的任何外部电源的要求。IEEE 802.3中提出用于PoE及PoDL的标准且其为众所周知的。
图1说明以太网PoDL系统中PSE 10与PD 12之间的常规耦合/解耦网络。将PSE 10表示为DC电压源，但其也可能包含差分数据发射器或收发器。也可由任何其它电路产生差分数据。PD 12由接收DC电压的负载表示，且PD 12可包含经由线对14接收差分数据的任何电路。
在图1的实例中，通过单个双绞线对14经由传导DC电压源与线对14之间的DC(或低频电流)以用于供电的耦合网络(作为“物理”PHY层的部分)将DC电力从PSE 10递送到PD12，同时阻挡来自DC电压源的差分AC数据(或高频电流)。类似地，PD 12使用将用于对PD负载供电的所传输DC电压解耦同时仅将PHY的AC数据传导到PD 12中的数据终端的解耦网络。越过十分广泛范围的频率阻挡PHY的AC数据的耦合/解耦网络的能力是PoDL以太网应用的关键要求，其中数据速率可能在从小于10Mbps到大于1Gbps之间改变。在图1的实例中，电容器C1到C4希望阻挡数据路径中的DC，而电感器L1到L4希望阻挡电力路径中的AC。
在图1中，使用电感器L1到L4将PSE 10电压源与PD 12负载之间的DC流量耦合到线14，或将PSE 10电压源与PD 12负载之间的DC流量从线14解耦。电感器L1到L4是AC阻挡装置，其阻抗与频率成比例。比例常数是指电感L。因为每一电感器的两个终端之间的寄生电容，所以阻抗可在自谐振频率下达到最大值且接着开始随着频率增加而降低。可将自谐振频率(SRF)表达为SRF＝1/{2π√(LCparasitic)}，其中Cparasitic是电感器的寄生内绕组电容。
单个电感器越过广泛范围的频率阻碍AC的能力取决于电感的量值、电感器传导DC电流而不损耗其电感的能力及其寄生电容。因为在PSE与PD的PHY之间所传输的数字数据的宽带性质，所以单个电感器可能并不能经由所要带宽使用PHY的终端维持分流器中的足够阻抗，从而在线对连接器处产生不充足的回波损耗。
已使用RF双工器及偏置器解决经由宽带宽在电力路径中传递DC同时阻挡AC的问题，但这些装置是针对不平衡的同轴传输线而设计的，且因此，所述装置是不适于PoDL应用的，所述PoDL应用依赖于非屏蔽的平衡双绞线对数据线。此类不适合的宽带偏置器使用具有必要的制动的级联电感器，从而克服单个电感器的SRF限制以便递送充足的宽带分流阻抗。
图2说明发现于现代文献中、不适于使用非屏蔽双绞线对的PoDL的4级宽带偏置器20。
针对PoDL应用，需要一种完全平衡的拓扑。
因此，在PoDL领域中，需要一种改进的耦合/解耦网络，其组合或分离DC电力与具有适合的大回波损耗的宽的带宽AC数据。
发明内容
描述一种用于PoDL网络中的PSE或PD的完全平衡的耦合/解耦网络，其中经由单个双绞线对同时传输DC通道(用于电力)及AC通道(用于数据)。所述AC通道可能需要十分宽的带宽，且针对所需的带宽，回波损耗应适合地较大。较高的回波损耗导致较低的插入损耗。
在用于将DC及AC耦合到单个双绞线对上的用于PSE的耦合网络的实例中，可使用AC阻挡级的级联网络。针对所述对中的两条线，电路可相同。
在一个实例中，将正DC电压(用于电力)施加到33微亨(uH)电感器。所述33uH电感器其后接着1uH电感器。每一电感器具有寄生电容，其可非所要地在自谐振频率SRF下建立自谐振电路。1uH电感器的SRF比33uH电感器的SRF大得多。同一电路耦合于负DC电压与另一线之间。在两条线之间，在33uH与1uH电感器的结处连接电阻器及电容器，所述电阻器及电容器经串联连接以逐渐减弱电感器之间的谐振相互作用。可将所述两条线的对置电感器缠绕在共同芯的周围，以便增强电路平衡且节省芯材料。可加入具有逐步减小的电感的额外电感器级以增加具有必要回波损耗的AC通道的带宽。
经由AC耦合电容器将PHY的AC数据施加到每一线。
所述PD可具有用于分离出所述DC及AC以施加到PD负载的类似的解耦网络。
与使用两个或两个以上串联的电感器(各自具有不同的SRF)的此级联网络相反，现有技术(例如，图1)仅使用单个电感器。
级联网络建立具有适合的较大回波损耗的非常宽的带宽AC耦合/解耦网络。
可取决于PoDL系统的最优要求使用不同值的电容器、电感器及电阻器。
描述各种其它实施例。
贯穿本发明使用术语PSE及PD来识别供应电力的设备及接收电力的设备，且此类设备/装置不限于以太网设备/装置，除非指定。
附图说明
图1说明使用用于将电力及数据供应到PD的单个线对的常规启用PoDL的以太网系统。
图2说明结合同轴缆线使用的、不适于使用双绞线对的PoDL的已知4级宽带偏置器。
图3说明根据本发明的一个实施例的用于将DC(电力)及宽带宽PHY AC数据耦合到双绞线对的用于PSE的级联耦合网络。
图4是通过模拟图3的耦合/解耦网络所获得的曲线图，其展示回波损耗(具有100Ω的参考阻抗)对频率。
使用相同符号标记相同或等效的元件。
具体实施方式
图3说明用于将由DC电压源34所产生的DC电力信号(例如，12伏特)耦合到双绞线对14，且还用于将由PHY 36所产生的差分AC数据信号耦合到线对14的PSE 32中的级联耦合网络30。PHY 36包含在系统的带宽内的任何频率下产生及接收AC数据的差分数据收发器。此类收发器可为常规的，且无需对其进行描述。从PHY 36阻挡DC信号，且从DC源阻挡AC信号。信号的极性可能与所展示的相反，这是因为针对每一线，电路相同。
沿着顶部导体路径(其可包含印刷电路板迹线或线)，将正DC电压(相对于另一DC电压终端)施加于33uH电感器L1，其可具有(例如)5.25pF(微微法拉)的寄生电容CL1。电感器L1的下游是1uH电感器L3，其可具有(例如)262fF(毫微微法拉)的较低寄生电容CL3。电感器L3的自谐振频率(SRF)比电感器L1的SRF高得多。
沿着底部线(其可包含印刷电路板迹线或线)，提供作为顶部线电路的镜像的电路。所镜像的电感器可具有共同芯以增加电感且改进匹配以用于更好地抑制共模电流。具体来说，将负DC电压施加于33uH电感器L2，其可具有(例如)5.25pF(微微法拉)的寄生电容CL2。电感器L2的下游是1uH电感器L4，其可具有(例如)262fF(毫微微法拉)的较低寄生电容CL4。
将2k ohm电阻器R3及5pF电容器C3连接于电感器L1及L2与电感器L3及L4之间的分流器中，以逐渐减弱L1到L4电感器之间的谐振相互作用。
电感器L1到L4传递DC电压。将DC电压施加于PSE 32的输出终端38处的双绞线对14。
由PHY 36中的差分数据收发器所产生的AC差分数据信号是经由1uF电容器C1及C2AC耦合到双绞线对14。电容器C1及C充分地阻挡由DC电压源34所产生的DC电压。如果需要的话，可经由终端电阻器将数据耦合到电容器C1及C2。
图4是通过模拟PSE 32中的耦合网络30所获得的回波损耗(在100Ω的参考阻抗下以dB为单位)对频率的曲线图40。20dB的回波损耗较大，且曲线图40展示大约1MHz到1GHz的数据带宽引发大于20dB的回波损耗。相比而言，曲线图42展示在仅使用33uH电感器的情况下的回波损耗对频率。类似地，曲线图44展示在仅使用1uH电感器的情况下的回波损耗对频率。曲线图40表示宽得多的实际数据频率范围。
连接到线对14的PD应具有解耦网络，所述解耦网络具有与耦合网络30相同的组件，其中PD负载的DC电力终端耦合到电感器L1及L2的输出，且PD负载的差分数据终端耦合到电容器C1及C2的输出终端。PD包含耦合到电容器C1及C2的差分数据收发器。可根据需要使用终端电阻器。
尽管认为图中所展示的值对于特定应用最优，但其它值可能对于其它应用最优。尽管制造商应试图针对线中的每一者优选地匹配电感器以用于最大抑制共模电流，但应理解，仅可近似地匹配电感器。
可将电力路径中具有下降的电感器值的额外AC阻挡级连接到电感器L3/L4的右侧以获得较宽的带宽。在一个实例中，每一级具有先前级的电感的至少1/10的电感。
可由迹线图案将较小的1uH电感器L3/L4形成于网络的剩余部分所安装到的印刷电路板上。针对电感器绕组使用此类迹线可减小寄生电容以将SRF合意地增加到超过数据信号的最高预期频率。
在可能的情况下，应将对置的电感器对缠绕在共同芯上，以便节省芯材料且改进匹配以用于更好地抑制双绞线对中的共模电流。
虽然已展示及描述本发明的特定实施例，但对所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不背离本发明的情况下，在本发明的更广泛方面中进行改变及修改，且因此，所附权利要求书在其范围内将涵盖所有此类改变及修改。

Claims (9)

1.一种经由数据线供电PoDL系统，其用于经由线对供应电力及数据，所述线对是耦合到受电装置的第一线及第二线，所述系统包括：
DC电压源，其具有第一电压源终端及第二电压源终端，其中DC电压跨越所述第一电压源终端及所述第二电压源终端；
两个或两个以上电感器的第一串联组合，其具有耦合到所述第一电压源终端的第一终端，电感器的所述串联组合还具有输出用于耦合到所述第一线的第一经滤波DC电压的第二终端；
两个或两个以上电感器的第二串联组合，其具有耦合到所述第二电压源终端的第三终端，电感器的所述第二串联组合还具有输出用于耦合到所述第二线的第二经滤波DC电压的第四终端；
差分数据收发器，其具有第一数据终端及第二数据终端；
第一电容器，其具有耦合到所述第一数据终端的第五终端，所述第一电容器具有用于耦合到所述第一线以组合数据与所述第一经滤波DC电压的第六终端；及
第二电容器，其具有耦合到所述第二数据终端的第七终端，所述第二电容器具有用于耦合到所述第二线以组合所述数据与所述第二经滤波DC电压的第八终端。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括耦合于所述第一串联组合与所述第二串联组合之间的第三电容器。
3.根据权利要求2所述的系统，其进一步包括与第一电阻器串联、耦合于所述第一串联组合与所述第二串联组合之间的所述第三电容器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一串联组合包括：第一电感器，其具有所述第一终端；及第二电感器，其具有所述第二终端，其中所述第一电感器具有大于所述第二电感器的第二电感的第一电感，且
其中所述第二串联组合包括：第三电感器，其具有所述第三终端；及第四电感器，其具有所述第四终端，其中所述第三电感器具有近似等于所述第一电感的电感，且其中所述第四电感器具有近似等于所述第二电感的电感。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述差分数据收发器经由终端电阻器耦合到所述第一电容器及所述第二电容器。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括所述受电装置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述受电装置经耦合以经由所述第一线及所述第二线接收所述数据及电压，所述受电装置具有在所述第一线及所述第二线上分离所述DC电压与所述数据的解耦网络，所述解耦网络包括匹配到两个或两个以上电感器的所述第一串联组合及两个或两个以上电感器的所述第二串联组合的电感器，所述解耦网络还包括匹配到所述第一电容器及所述第二电容器的电容器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一串联组合及所述第二串联组合中的所述电感器中的两者或两者以上互相耦合。
9.根据权利要求1所述的系统，其中使用迹线将所述电感器中的一或多者形成于印刷电路板上。
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