CN106797119B - 极性校正电路 - Google Patents

Abstract

提出了一种功率失衡减轻极性校正电路，其包括第一和第二极性校正电路，每个极性校正电路包括：用于接收输入电流的输入端，用于提供整流的输出电流的输出端，用于在接收的电流为第一极性时传导接收的电流的至少第一电流路径以及用于在接收的电流为第二极性时传导接收的电流的第二电流路径，其中第一电流路径包括作为第一类型的非对称电导部件的无源整流部件并且第二电流路径包括作为与第一类型不同的第二类型的非对称电导部件的有源整流部件；该功率失衡减轻极性校正电路进一步包括控制器，其中该控制器被布置用于在第一极性校正电路接收的电流在第一极性校正电路的第一电流路径上传导并且第二极性校正电路接收的电流在第二极性校正电路的第二电流路径上传导时控制有源整流部件操作于功率失衡减轻模式。

Description

极性校正电路

技术领域

本发明涉及功率失衡减轻极性校正电路、以太网供电兼容受电设备、以太网供电配电系统、用于操作功率失衡减轻极性校正电路中的控制器的方法、计算机程序产品以及功率失衡减轻极性校正电路控制器。

背景技术

在依照PoE标准IEEE 802.3af或者IEEE 802.3at和/或相关标准的以太网供电（PoE）系统中，供电设备（供电装备PSE）经由一个或几个电导体（以太网电缆）向一个或几个受电设备（PD）供电。该供电设备例如为开关并且受电设备例如为安全照相机、无线接入点、互联网语音协议（VoIP）电话等等。依照PoE标准，PSE依照替代方案A配置或者替代方案B配置通过输出端口（即模块插孔）的引脚供电。使用的以太网电缆可以是直型电缆或者交叉型电缆。PD侧的极性配置因此可以变化，并且因此，PD包括对它接收的直流（DC）功率整流的极性校正电路。极性校正电路的一个示例可以在美国专利公开2012/212209A1中找到。典型的桥式整流器是至少桥式整流器的成本与桥式整流器的功率效率之间的折衷。存在对于一种改进的极性校正电路的需求。

发明内容

发明人认识到，在诸如PoE配电系统之类的配电系统中，虽然进来的功率的极性配置可以改变，但是可能存在在实践中比其他配置更频繁出现的极性配置。在例如PoE配电系统中，PSE依照其通过输出端口的引脚提供电流的配置在未来的PoE标准中可能是固定的。尽管PD侧接收的电流的极性配置仍然可以基于使用的电缆类型而改变，并且在安装PoE配电系统中使用的大多数电缆为直型电缆。这样，绝大多数PD将依照已知的极性从PSE接收电流，然而该PD在极性因例如使用交叉型电缆代替直型电缆而不同的情况下仍然应当能够操作。

本发明的一个目的是提供一种功率失衡减轻极性校正电路、一种包括功率失衡减轻极性校正电路的以太网供电兼容受电设备以及一种包括受电设备的以太网供电配电系统。本发明的另一目的是提供一种用于操作功率失衡减轻极性校正电路中的控制器的方法、一种实现该方法的计算机程序产品以及一种被布置用于执行该计算机程序产品的功率失衡减轻极性校正电路控制器。

在本发明的第一方面中，提出了一种功率失衡减轻极性校正电路。该极性校正电路包括：用于接收输入电流的输入端；用于提供整流的输出电流的输出端；用于在接收的电流为第一极性时传导接收的电流的至少第一电流路径以及用于在接收的电流为第二极性时传导接收的电流的第二电流路径；其中第一电流路径包括第一类型的非对称电导部件并且第二电流路径包括与第一类型不同的第二类型的非对称电导部件。

当在其中大多数情况下接收的电流为第一极性并且在少数情况下接收的电流为第二极性的实现方式中使用该极性校正电路时，那么第一类型的非对称电导部件可以被选择为高效（或者更高效）然而昂贵的（或者更昂贵的），并且第二类型的非对称电导部件可以被选择为低效（或者不那么高效）然而廉价的（或者不那么昂贵的），以便获得这样的极性校正电路，其在大多数实现方式中既高效又不比只包括第一类型的非对称电导部件的传统极性校正电路昂贵。虽然在这里提供的示例中，（电）效率和成本为折衷，但是各种不同的其他因素可以是其中依照本发明的极性校正电路相对于传统极性校正电路有益的折衷的部分，这样的因素可以包括散热、形状因子、可靠性、复杂性、环境友好、RoHS或者标准兼容性等等。

第一类型的非对称电导部件为无源整流部件，并且第二类型的非对称电导部件为有源整流部件。该实施例特别有益，因为有源整流部件通常远比例如典型的p-n结二极管能量高效。

继续本发明的该第一方面，该功率失衡减轻极性校正电路进一步包括控制器，其中该控制器被布置用于当在第一极性校正电路接收的电流在第一极性校正电路的第一电流路径上传导并且第二极性校正电路接收的电流在第二极性校正电路的第二电流路径上传导时控制器确定用于减轻第一极性校正电路与第二极性校正电路之间的功率失衡的功率失衡减轻条件时控制有源整流部件操作于功率失衡减轻模式。

当两个或更多极性校正电路用来对负载供电时，可能发生通过所述极性校正电路中的一个的电流沿着包括不比另一个极性校正电路的电流路径中包含的非对称电导部件能量高效的非对称电导部件的电流路径，从而造成功率失衡。因此，如果包括两个或者更多极性校正的电路被布置为在发生功率失衡时减轻功率失衡，则是有益的。

在依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的一个实施例中，第一类型的非对称电导部件为二极管并且第二类型的非对称电导部件为MOSFET，并且其中在功率失衡减轻模式下，控制器控制MOSFET使得电流流经MOSFET的体二极管。在该有利的实施例中，控制器可以关断MOSFET，使得电流流经MOSFET的体二极管。这造成可与第一类型的非对称电导部件的能量低效相比的能量低效，从而（至少部分地）减轻功率失衡。

在依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的另一实施例中，控制器进一步被布置用于确定功率失衡水平并且用于在确定的功率失衡水平超过预定阈值时控制MOSFET处于功率失衡减轻模式。功率失衡可能对于某些负载类型是可接受的，并且因此在该有利的实施例中，用于功率失衡水平的预定阈值确定是否控制MOSFET处于功率失衡减轻模式。如果功率失衡减轻模式造成能量低效，那么该低效仅发生在否则功率失衡不可接受（如阈值所确定的）时。

在依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的另一个实施例中，控制器进一步被布置用于确定在输出端上吸取的电流水平，并且在确定的电流水平超过预定阈值时控制MOSFET处于功率失衡减轻模式。当在输出端上吸取的电流水平低于预定阈值时，例如当设备所兼容的标准仅在负载消耗特定水平之上的电流时禁止电流失衡时，功率失衡可能是可接受的。

在依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的又一个实施例中，控制器进一步被布置用于控制MOSFET的沟道电阻。MOSFET可以被控制处于线性区域中以便在（例如如标准所设置的）失衡要求允许的程度上承载电流。

在依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的另一个实施例中，功率失衡减轻极性校正电路进一步包括被布置用于限制在输出端上可用的整流输出电流的限流器。在该实施例中，功率失衡减轻极性校正电路可以操作来在接收的电流的极性如所期望的（即，从能量效率的角度看，电流沿着第一和第二极性校正电路中通过相同或相似类型的非对称电导部件的电流路径）时允许第一最大额定电流，但是在接收的电流的极性不是如所期望的（即，电流沿着包括第一类型的非对称电导部件的第一极性校正电路中的第一电流路径以及包括第二类型的非对称电导部件的第二极性校正电路中的第二电流路径，从而造成功率失衡）时基于限流器设置的限制允许第二较低最大额定电流。

在本发明的第二方面中，提供了一种以太网供电PoE兼容受电设备PD。该PD包括依照本发明第一方面的功率失衡减轻极性校正电路。PoE标准要求PD能够以用于接收功率的各种极性到引脚配置以及以各种电缆配置（例如直型电缆和交叉型电缆）工作。在PoE配电系统实现方式中，某些配置（或者配置组合）比其他配置出现得更频繁。这样，典型的PD在一定程度上是超尺寸的（例如，使用的极性校正电路包括所有MOSFET）。因此，包括功率失衡减轻极性校正电路的PD可以允许与各种不同的极性配置有关的、例如（能量）效率与成本之间的折衷。

在本发明的第三方面中，提供了一种包括依照本发明第二方面的PD的PoE配电系统。该PoE配电系统进一步包括电源装备PSE，其中该PSE被布置用于依照预定极性配置通过端口提供电流。在未来的PoE标准中，可能要求PSE提供单一极性到引脚配置，使得所有兼容的PSE的端口在每个引脚上提供预定的极性。在依照这种未来的PoE标准的PoE配电系统的一种实现方式中，在典型地使用直型电缆时，安装者仍然可以使用交叉型电缆。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于操作依照本发明第一方面的功率失衡减轻极性校正电路中的控制器的方法。该方法包括：确定在第一极性校正电路的输入端上接收的电流的极性；确定在第二极性校正电路的输入端上接收的电流的极性；当在第一极性校正电路的输入端上接收的电流为第一极性并且在第二极性校正电路的输入端上接收的电流为第二极性时，控制第二极性校正电路的有源整流部件操作于功率失衡减轻模式。

在本发明的第四方面中，提供了一种功率失衡减轻极性校正电路控制器。该功率失衡减轻极性校正电路控制器包括处理器、存储器以及被布置用于与至少第一和第二极性校正电路接合的接口，第一和第二极性校正电路每个都包括：

- 用于接收输入电流的输入端，

- 用于提供整流的输出电流的输出端，

- 用于在接收的电流为第一极性时传导接收的电流的至少第一电流路径，以及

- 用于在接收的电流为第二极性时传导接收的电流的第二电流路径，

其中该控制器被布置为在其中第一极性校正电路接收的电流在第一极性校正电路的第一电流路径上传导并且第二极性校正电路接收的电流在第二极性校正电路的第二电流路径上传导的情况下确定用于减轻第一极性校正电路与第二极性校正电路之间的功率失衡的功率失衡减轻条件。

应当理解的是，权利要求1的功率失衡减轻极性校正电路、权利要求7的以太网供电兼容受电设备、权利要求8的以太网供电配电系统、权利要求9的用于操作功率失衡减轻极性校正电路中的控制器的方法以及权利要求10的功率失衡减轻极性校正电路控制器具有特别地如从属权利要求中所限定的相似和/或相同的优选实施例。

应当理解的是，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与各自独立权利要求的任意组合。

本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

为了帮助理解本公开并且示出可以如何将实施例付诸实施，通过示例的方式参照附图，在附图中：

图1示意性且示例性地示出了依照现有技术的极性校正电路，

图2示意性且示例性地示出了依照现有技术的用于连接至以太网电缆的8P8C模块插孔的引脚配置，

图3a和图3b分别示意性且示例性地示出了直型以太网电缆和交叉型以太网电缆的引脚配置，

图4示意性且示例性地示出了包括二极管和肖特基二极管的极性校正电路，

图5a和图5b分别示意性且示例性地示出了在输入端上的电流的第一和第二极性配置中通过第一和第二极性校正电路的电流流动，

图6示意性且示例性地示出了包括第一和第二极性校正电路的受电设备，

图7示意性且示例性地示出了包括依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的受电设备，并且

图8示意性且示例性地示出了包括依照本发明的功率失衡减轻极性校正电路的受电设备，其中仅当确定的电流水平超过预定阈值时，才激活功率失衡减轻模式。

具体实施方式

图1示出了现有技术中已知的传统极性校正电路100的一个示例。输入端102、104向负载110提供整流的电流。尽管输入端102、104上的极性可能变化，但是提供给负载的电流的极性被整流，使得存在正输出端112和负输出端114。电流的整流是使用四个相同类型的二极管和选取的电路架构的结果，该电路架构根据极性允许电流流经二极管120、122或者可替换地流经二极管130、132。存在若干用于选择诸如图1中所示的二极管120、122、130、132之类的非对称电导部件的选项。表1中示出了一些类型的非对称电导部件。典型地，功率损耗越小（如这里所示：典型的PoE类型1 PD的功率损耗消耗15W），尺寸越大，则部件的成本越高或者复杂性越大。因此，当选择用于传统极性校正电路的非对称电导部件时，必须在这样的因素之间进行折衷。

表1

桥设计	典型功率损耗	尺寸	成本	复杂性	示例部件
						单一封装	600mW	小	低	低	MB1S桥式整流器
肖特基二极管	240mW	中	高	中	SB3100
						MOSFET	23mW	中	高	高	FDS4559-60V

在图2中，示出了8P8C型插孔200，其通常用于将以太网电缆连接至端口（例如在一端连接至PSE的端口并且在另一端连接至PD的端口，以便将PD连接至PSE）。存在与典型的以太网电缆中的四线对相应的八个引脚201、202、203、204、205、206、207、208。

图3a和3b分别示出了直型以太网电缆引脚图300和交叉型以太网电缆引脚图350。直型以太网电缆中的导线在每端309、319具有相同的引脚配置，并且因此引脚301、302、303、304、305、306、307、308分别连接至引脚311、312、313、314、315、316、317、318。交叉型以太网电缆中的一些导线在一端连接与另一端不同的引脚（第1和第3引脚；第2和第6引脚），这样，引脚351、352、353、354、355、356、357、358分别连接至引脚363、366、631、634、365、362、367、368。

图4示出了依照本发明的极性校正电路400的一个示例。电流通过输入端402、404接收，并且整流的电流通过输出端412、414提供给负载410。尽管输入端402、404上的极性可能变化，但是输出端412、414上的极性是确定的（412为正极性对141为负极性）。在该示例中，两个肖特基二极管420、422用于第一电流路径并且两个p-n结二极管430、432用于第二电流路径。替代地，可以使用其他二极管或者有源整流部件。在该示例中，当在输入端402、404上接收的电流的极性使得电流流经肖特基二极管（即402为正极性对404为负极性）时，所述极性校正电路提供比图1的传统极性校正电路100更加（能量）高效的电流整流。同时，如果输入端上的极性反转（即402为负极性对404为正极性），那么极性校正电路400将以与图1的传统极性校正电路相同的（能量）效率水平对电流整流。由于肖特基二极管典型地比p-n结二极管更加昂贵，因此该极性校正电路400比使用四个肖特基二极管的电路更便宜。在其中大多数安装输入电流的极性使得输入端402具有正极性并且输入端404具有负极性的实现方式中，那么在大多数安装中，这是比具有四个肖特基二极管的极性校正电路更加成本有效的解决方案，并且是比图1的具有四个p-n结二极管的传统极性校正电路100更加（能量）高效的解决方案。

其中对于大多数安装而言已知输入端上的电流的极性的一种实现方式是在（未来的）PoE标准中。表3示出了用于标准兼容的各种不同的替代方案（即替代方案A MDI-X、替代方案A MDI和替代方案B）的（如PoE IEEE 802.3af/at标准中定义的）类型1或类型2的PSE的引脚配置。在未来的PoE标准中，可以定义类型3 PSE，其具有固定的引脚配置（即不存在替代方案）。在PSE侧，引脚上提供的电流的极性于是已知。

表3

引脚	类型1或2 PSE – 替代方案A (MDI-X)	类型1或2 PSE – 替代方案A (MDI)	类型1或2 PSE –替代方案B	类型3PSE
					1	负	正		负
2	负	正		负
					3	正	负		正
4			正	正
					5			正	正
6	正	负		正
					7			负	负
8			负	负

这种未来的PoE标准仍然可以允许使用各种不同的电缆类型，或者在任何情况下，如果在这种未来的标准中规定了电缆类型的话，安装这种系统的安装者可以使用与该标准所规定的不同的电缆类型。在表4中，示出了当PD分别通过直型电缆或者交叉型电缆连接至PSE时PD端的引脚配置。

表4

引脚	类型3 PSE	类型3 PD (直电缆)	类型3 PD (交叉电缆)
				1	负	负	正
2	负	负	正
				3	正	正	负
4	正	正	正
				5	正	正	正
6	正	正	负
				7	负	负	负
8	负	负	负

图5a和图5b中图示出将极性校正电路应用到PD的一个示例，其中两个极性校正电路每个都连接至（保持连接至PSE的以太网电缆的插孔的）四个引脚。电路500包括分别连接至引脚1和2、3和6、4和5以及7和8的输入端502、504、506、508。在该示例中，PSE为类型3（即，引脚1为负，引脚2为负，引脚3为正，引脚4为正，引脚5为正，引脚6为正，引脚7为负，引脚8为负），并且直型以太网电缆用来将PD连接至PSE（即，PD端的引脚配置与PSE侧相同；引脚1为负，引脚2为负，引脚3为正，引脚4为正，引脚5为正，引脚6为正，引脚7为负，引脚8为负）。在该电路中，非对称电导部件540、542、534、536为（能量）高效部件（例如肖特基二极管）并且非对称电导部件530、532、544、546为不太（能量）高效部件（例如p-n结二极管）。电流路径流经（能量）高效部件。如果替代地如图5b中所示，使用交叉型电缆（PD端的引脚配置不与PSE侧相同；在PD侧，引脚1为正，引脚2为正，引脚3为负，引脚4为正，引脚5为正，引脚6为负，引脚7为负，引脚8为负），那么电流路径流经（能量）高效部件534、536和不太（能量）高效部件530、532。

图6示出了可与图5a和图5b的电路相比的电路，然而代替肖特基二极管的是，使用了MOSFET 640、642、644、646。尽管该图示示出了二极管用作不太（能量）高效部件630、632、634、636，不过可以替代地使用肖特基二极管（MOSFET比肖特基二极管更高效）。MOSFET由控制器610、612（被示为单独的控制器，这可替换地可以是单个控制器）控制。

尽管如图5a和图5b中以及图6中所图示出的电路具有依照本发明的极性校正电路的优点，但是在其中使用了交叉型电缆的情形中（能量）高效部件对不太（能量）高效部件上的（能量）损耗差异产生功率失衡。

图7类似于图6的电路，但是在该实施例中现在控制器610、612能够控制MOSFET，使得当第一极性校正电路（顶部）接收的电流在第一极性校正电路的第一电流路径上传导并且第二极性校正电路（底部）接收的电流在第二极性校正电路的第二电流路径上传导时，为功率失衡减轻模式。如线710所指示的，控制器610能够与控制器612通信（尽管该图示示出了两个控制器，但是在其中控制器为单个部件的情形中，该单个部件的被布置用于控制MOSFET 640、642的部分将被布置为控制该单个部件的被布置用于控制MOSFET 644、646的部分）。在其中第一极性校正电路中的电流路径流经不太（能量）高效部件的情形中，控制器610将此用信号发送至控制器612，使得控制器612控制MOSFET 644、646以使得这些MOSFET有效地关断并且电流分别在MOSFET的体二极管、体二极管645、647上流动。体二极管645、647上的电压降将更类似于二极管630、632上的那些电压降，并且因此功率失衡（至少部分地）被减轻。

图8类似于图7的电路，但是在该实施例中，使用分别到输入端504、502、508、506的连接802、804、806、808测量电流流动；并且控制器610、612可以基于吸取的电流确定是否控制MOSFET处于功率失衡减轻模式。如果吸取的电流水平低于预定阈值，那么将不使用功率失衡减轻模式（例如当由于吸取的低电流水平的原因功率失衡不引起任何问题时）。

本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求的研究，可以理解和实现所公开实施例的其他变型。

在权利要求书，措词“包括”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并没有排除多个。

单个单元或设备可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不可以加以利用。

权利要求中的任何参考符号都不应当被解释为限制范围。

Claims (9)

1.一种功率失衡减轻极性校正电路，至少包括第一和第二极性校正电路，该第一和第二极性校正电路每个都包括：

- 用于接收输入电流的输入端（502，504，506，508），

- 用于提供整流的输出电流的输出端（412，414），

- 用于在接收的电流为第一极性时传导接收的电流的至少第一电流路径以及用于在接收的电流为第二极性时传导接收的电流的第二电流路径，

其中第一电流路径包括作为第一类型的非对称电导部件的无源整流部件并且第二电流路径包括作为与第一类型不同的第二类型的非对称电导部件的有源整流部件；该功率失衡减轻极性校正电路进一步包括控制器（610，612），其中该控制器（610，612）被布置用于当在第一极性校正电路接收的电流在第一极性校正电路的第一电流路径上传导并且第二极性校正电路接收的电流在第二极性校正电路的第二电流路径上传导时控制器确定用于减轻第一极性校正电路与第二极性校正电路之间的功率失衡的功率失衡减轻条件时控制有源整流部件操作于功率失衡减轻模式。

2.依照权利要求1的功率失衡减轻极性校正电路，其中第一类型的非对称电导部件为二极管并且第二类型的非对称电导部件为MOSFET（640，642，644，646），并且其中在功率失衡减轻模式下，控制器控制MOSFET（640，642，644，646）使得电流流经第二极性校正电路的第二电流路径中的MOSFET的体二极管。

3.依照权利要求2的功率失衡减轻极性校正电路，其中控制器进一步被布置用于确定功率失衡水平并且用于在确定的功率失衡水平超过预定阈值时控制MOSFET处于功率失衡减轻模式。

4.依照权利要求2的功率失衡减轻极性校正电路，其中控制器进一步被布置用于确定在输出端上吸取的电流水平，并且在确定的电流水平超过预定阈值时控制MOSFET处于功率失衡减轻模式。

5.依照权利要求2的功率失衡减轻极性校正电路，其中控制器进一步被布置用于控制MOSFET的沟道电阻。

6.一种以太网供电PoE兼容受电设备PD，包括依照权利要求1-5中任何一项的功率失衡减轻极性校正电路。

7.一种PoE配电系统，包括权利要求6的PD，进一步包括电源装备PSE，其中该PSE被布置用于依照预定极性配置通过端口提供电流。

8.一种由依照权利要求1的功率失衡减轻极性校正电路中的控制器执行的方法，该方法包括：

- 确定在第一极性校正电路的输入端上接收的电流的极性，

- 确定在第二极性校正电路的输入端上接收的电流的极性，

- 当在第一极性校正电路的输入端上接收的电流为第一极性并且在第二极性校正电路的输入端上接收的电流为第二极性时，控制第二极性校正电路的有源整流部件操作于功率失衡减轻模式。

9.一种功率失衡减轻极性校正电路控制器，包括：

- 处理器，

- 存储器，以及

- 被布置用于与至少第一和第二极性校正电路接合的接口，第一和第二极性校正电路每个都包括：

- 用于接收输入电流的输入端，

- 用于提供整流的输出电流的输出端，

- 用于在接收的电流为第一极性时传导接收的电流的至少第一电流路径，以及

- 用于在接收的电流为第二极性时传导接收的电流的第二电流路径，

其中该控制器被布置为在其中第一极性校正电路接收的电流在第一极性校正电路的第一电流路径上传导并且第二极性校正电路接收的电流在第二极性校正电路的第二电流路径上传导的情况下确定用于减轻第一极性校正电路与第二极性校正电路之间的功率失衡的功率失衡减轻条件。