CN106941409A - 用于进行保护以免受PoDL导线故障影响的电路架构 - Google Patents

用于进行保护以免受PoDL导线故障影响的电路架构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于进行保护以免受PoDL导线故障影响的电路架构。在一个实施例中，一种PoDL系统包含PSE，所述PSE使用高侧断路器及低侧断路器，在检测到故障的情况下，所述高侧断路器及低侧断路器将PSE电压源从导线对解耦。故障可包含到接地的暂时短路或到电池电压的暂时短路或导线之间的暂时短路。在已去除所述故障的情况下，所述断路器执行自动重试操作。可监视所述导线对中的导线上的电压以确定所述电压是处于正常范围内还是指示故障条件。揭示其它实施例。

Description

用于进行保护以免受PoDL导线故障影响的电路架构
相关申请案交的交叉参考
本申请案主张安德鲁J.加德纳(Andrew J.Gardner)等人在2014年12月1日提出申请的第62/086,008号美国临时申请案的优先权，所述美国临时申请案转让给本受让人并以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及数据线供电(PoDL)系统，其中来自供电设备(PSE)的电力是在也用于传导差分数据信号(通常为以太网信号)的单个导线对上发射到受电装置(PD)。具体来说，本发明涉及检测PoDL导线故障(例如，到接地的瞬间短路或到电池电压的瞬间短路或导线之间的瞬间短路)以及在去除故障之后自动地重新开始正常操作。
背景技术
已知向远程电力设备发射数据线供电。以太网供电(PoE)是一个此种系统的实例。在PoE中，从以太网交换机将有限电力发射到经以太网连接设备(例如，VoIP电话、WLAN发射器、安全摄像机等)。经由标准CAT-n缆线中的两个或两个以上双绞线对发射来自交换机的DC电力。导线对中的一或多者也发射差分数据信号，因为DC共模电压不会影响数据。以此方式，可消除对提供用于受电装置(PD)的任何外部电源的需要。
一种较新的技术是数据线供电(PoDL)，其中在单个双绞线对上与差分数据一起发射电力。到本发明的日期为止，IEEE正处于开发PoDL标准作为IEEE 802.3bu的过程中。PoDL可比PoE更灵活，且由于其需要仅一个导线对，因而可能变为一项受欢迎的技术，尤其是在汽车中。
在于汽车中使用PoDL的实例中，可能会由于汽车变化或其它原因而存在到接地的暂时短路或到电池电压的暂时短路或导线之间的暂时短路。在短路期间，PoDL或以太网通信可被中断。在无任何保护电路的情况下，短路可能会毁坏PoDL组件、导致产生过多热量或使汽车的重要特征不能使用。
需要一种用以检测此类使PoDL系统的操作暂停的故障且在去除故障的情况下接着快速地重新开始正常操作的电路架构。
发明内容
在一个实施例中，一种PoDL系统包含PSE，所述PSE使用高侧断路器及低侧断路器，在检测到故障的情况下，所述高侧断路器及低侧断路器将PSE电压源从导线对解耦。在已去除所述故障的情况下，所述断路器执行自动重试操作。可监视所述导线对中的导线上的电压以确定所述电压是处于正常范围内还是指示故障条件。
揭示其它实施例。
附图说明
图1图解说明常规PoDL系统。
图2图解说明实施本发明一个实施例的PoDL系统。
图3更详细地图解说明图2的PoDL系统的一个实施例。
图4图解说明图3的控制器中的可能电路。
图5是识别由图3的电路执行的步骤的流程图。
图6图解说明图2的PoDL系统的另一实施例。
图7图解说明其中仅需要一个断路器的变压器隔离式PoDL系统的实施例。
以相同编号来标示各图中相同或等效的元件。
具体实施方式
本发明描述各种PoDL系统，其包含用于检测PSE与PD之间的故障的电路。使用断路器来保护PoDL系统免受故障影响，所述断路器将PSE电压源从导线对解耦。自动重试例程测试所述系统以确定是否已去除故障，且如果已去除，那么系统重新开始正常操作。
首先，将关于图1来描述PoDL的常规方面。
图1图解说明经由双绞线对18中的第一导线14及第二导线16连接的PSE 10及PD12的相关部分。
耦合/解耦网络包括电容器C1-C4及电感器L1-L4。电容器C1-C4使相对高频率的以太网差分数据通过，而电感器L1-L4阻挡数据信号。以太网收发器被称为PHY，其为数据路径中的物理层。数据由图中未展示的常规设备处理。
给PD 12供电的PoDL DC电压是由PSE电压源20产生，PSE电压源20产生电压VPSE。DC电压通过电感器L1及L2耦合到导线对18，且DC电压经由解耦电感器L3及L4耦合到由电阻器RPD表示的PD负载。电容器C1-C4阻挡DC电压。
通常，在PoDL系统中，在电源接通后首先执行低功率检测与分类例程，所述低功率检测与分类例程检测PD是否为PoDL兼容的且传达PD的功率要求。此低功率例程将被称为信号交换且描述于IEEE PoDL标准中。此例程可由状态机、处理器或其它已知电路实施。在进行成功信号交换之后，闭合PSE电压源20与双绞线对18之间的功率开关(未展示)。本发明涉及其中发生在信号交换例程期间未检测到的故障(例如在全PSE电压已被供应到PD之后发生)的情形。因此，PoDL系统的与信号交换有关的方面与本发明无关且不加以详细描述。
在PoDL系统已操作之后可发生的故障的实例包含：
导线对18的+导体及/或-导体短接到接地。
导线对18的+导体及/或-导体短接到汽车电池电压。
导线对18的+导体短接到-导体。
导线对18的+导体及/或-导体短接到负电压(例如，-5V)。
汽车电池电压可或可不处于不同于PSE电压源20的电位。在去除导线故障之后，正常操作应即刻以最小延迟重新开始。
图2-7中所展示的PoDL电路对前述故障条件作出响应。
在图2中，PD 12可与图1中相同且是常规的。发明性电路位于PSE 28中。
用于检测故障条件的控制器未在图2中展示，而是展示在图3、4、6及7中。
在图2中，PSE 28中的高侧断路器30及低侧断路器32用于保护电路。当检测到故障时，断路器30及32由控制器断开。断路器30及32在断开时必须能承受住跨越其端子的正电压或负电压。
作为自动重试特征，在检测到初始故障之后，断路器30及32也由控制器控制成以足够低的工作循环周期性地闭合，以便在去除导线故障后即刻以最小延迟恢复功能性。在成功重试操作之后，不需要进行信号交换。
在图2中，PD 12被有意地与接地隔离，其中到PSE 28的仅有连接是通过导线对18实现。在不进行接地隔离的情况下，在PD 12处可需要额外的高侧断路器及低侧断路器。
图3将高侧断路器30图解说明为与二极管D3串联放置的N沟道MOSFET开关M1，二极管D3与MOSFET开关M1的体二极管(展示为二极管D1)呈相反极性。在MOSFET开关M1关断时，所得的复合断路器30能够承受住正极性或负极性电压。
类似地，低侧断路器32是与二极管D4串联放置的N沟道MOSFET开关M2，二极管D4与MOSFET开关M2的体二极管(展示为二极管D2)呈相反极性。当MOSFET开关M2关断时，所得的复合断路器32能够承受住正极性或负极性电压。
二极管D3及D4仅在电压极性正确(导线14上是正电压且导线16上是接地电压)时导通。举例来说，如果导线14/16中的一者被短接到汽车电池电压以形成相反极性情形，那么二极管D3及D4将保护PSE电压源20。
可需要转向二极管D5及双向瞬态电压抑制器TVS，以便限制在断路器跳闸之后由存储于电感器L1-L4中的能量所产生的电压偏移。
图3的电路的一个缺点是因二极管D3及D4的正向结电压而使PD 12处的电压减小。
PSE断路器控制器36经耦合以监视导线14及16上的电压电平，以确定其是否处于正常范围内且在电压电平处于正常范围之外从而指示故障的情况下将断路器30及32控制成断开。也可通过导线14/16上的特定所测量电压来确定并报告故障的类型。
图4图解说明控制器36内的某一可能电路。比较器40及41耦合到导线14以确定导线14上的电压是否介于高参考电压Hi ref1与低参考电压Lo ref1之间。类似地，比较器42及43耦合到导线16以确定导线16上的电压是否介于高参考电压Hi ref2与低参考电压Loref2之间。对于导线14及16来说，高参考电压及低参考电压是不同的，因为在正常操作期间，导线14预期处于正电压且导线16预期处于接地。
此外，可由控制器36使用差分放大器来检测导线14与16之间的电压差，其中将所述差分放大器的输出与高阈值及低阈值进行比较。超过高阈值可指示导线中的一者被短接到电池端子。低于低阈值可指示导线彼此短接。在任一情况中，均会产生故障信号。介于阈值之间的是正常的PSE电压源20电压。
控制器36还检测到PSE电压源20连接到导线14/16(于在进行成功信号交换例程之后闭合的任何功率开关的下游)。此识别出，PoDL电路应该正常地操作，其中PD 12应该由PSE电压源20供电。
如果存在其中使导线14及/或16短接到接地或电池端子或彼此短接的任何导线故障，那么比较器40-43中的至少一者将输出逻辑1。因此，“或”门46也将输出逻辑1。如果控制器36检测到电压源20跨越导线14/16而耦合，那么线48上的信号是逻辑高。如果到“与”门50中的两个输入是高，那么“与”门50输出逻辑1，从而用信号表示故障条件。控制器36接着关断MOSFET开关M1及M2以将PSE电压源20从导线14/16解耦。
注意，控制器36上游的在进行成功信号交换之后首先将电压源20耦合到导线对18的常规功率开关(未展示)通常仍将闭合。此外，断路器30及32可独立于任何常规过电流检测电路，当电流超过最大电流的IEEE标准时，所述过电流检测电路可致使功率开关(未展示)被断开。
控制器36接着例如经由处理器、状态机或其它逻辑电路来实施重试例程。所述重试例程周期性地闭合MOSFET开关M1及M2例如达0.5-1秒，同时测量导线14及16上的电压以确定是否已去除故障。如果在例如三次尝试之后故障尚未被去除，那么MOSFET开关M1及M2保持关断直到系统被复位且故障被清除为止。
在另一实施例中，PoDL系统进一步检测穿过导线14/16中的每一者的电流(例如通过测量跨越与每一导线串联的低值感测电阻器的电压降)，且将所测量电流(对应于电压降)与阈值电流进行比较以确定是否存在故障。举例来说，如果导线14/16彼此短接，那么所测量电流将是高的且指示故障。在大多数情况下，可通过使用图4的电路检测导线上的电压处于正常范围之外来感测过电流故障。
图5是概述上述操作的流程图。
在步骤60中，在将PoDL系统接通电源之后执行常规信号交换以确定PSE 28是否应通过闭合控制器36上游的功率开关(未展示)而将PSE电压源20耦合到导线对18。
在步骤62中，经由功率开关(未展示)以及首先闭合的MOSFET开关M1及M2将PSE电压源20耦合到导线对18。
在步骤64中，控制器36检测到PSE电压源20耦合到导线14/16，且监视导线14/16上的电压以确定是否存在故障条件。
在步骤66中，如果检测到故障条件，那么控制器36关断MOSFET开关M1及M2(即，断开断路器30及32)以防止对系统的损坏且防止错误的以太网数据影响汽车的操作。
在步骤70中，实施重试例程以周期性地接通MOSFET开关M1及M2达足以避免对系统的损坏的短持续时间，同时监视导线14/16上的电压以查看是否已清除故障。在检测到故障达几个循环之后，MOSFET开关M1及M2保持关断且报告故障状态以待解决(步骤72)。
图6图解说明受故障保护的PoDL电路的另一实例，其中N沟道MOSFET开关M3及M4是背对背地串联连接，使得其体二极管对置，以实现隔离式高侧断路器30。类似地，N沟道MOSFET开关M5及M6背对背地串联连接，使得其体二极管对置，以实现隔离式低侧断路器32。控制器36可与先前所述相同且在存在故障的情况下同时关断串联的MOSFET开关。此电路实施方案不遭受图3中由于图3中的阻挡二极管D3及D4而发生的PD电压余量损失。可对N沟道MOSFET及P沟道MOSFET进行额外配置以便实现隔离式断路器。
图7图解说明用于实现受导线故障保护的PoDL电路的替代方法。来自PSE 82中的电池80的电压由变压器隔离式DC-DC转换器84调节，变压器隔离式DC-DC转换器84产生PSE电压以供经由导线对18发射到PD 12。经调节电压由电力滤波器86滤波，电力滤波器86可为电容器。通过在PSE 82处使用完全隔离式DC/DC转换器84，可省去断路器中的一者(在所述实例中，为低侧断路器)，同时在导线故障期间仍提供保护。隔离式DC/DC转换器PSE架构的额外优点是在导线对18中的任一导线14/16(但非两者)短接到电池80电压Vbat或接地期间能够在无中断的情况下递送电力。PSE控制器88类似于先前所描述的控制器36而操作以在检测到故障的情况下关断MOSFET开关M1。
尽管已显示及描述了本发明的特定实施例，但对于所属领域的技术人员将显而易见，可在不背离本发明的更广泛方面的情况下进行改变及修改，且因此，所附权利要求书要将所有此类改变及修改涵盖在其范围内。

Claims (15)

1.一种数据线供电PoDL系统，其包括：
供电设备PSE，其经由导线对耦合到受电装置PD，所述导线对包括第一导线及第二导线，其中差分数据信号与DC电力在所述同一导线对上传导；
控制器，其经耦合以在所述DC电力首先耦合到所述导线对之后感测所述第一导线或第二导线中的至少一者上的信号电平，以识别故障条件；及
至少第一开关，其与所述第一导线串联，由所述控制器控制，
其中在检测到故障条件时，所述控制器断开所述第一开关。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括第二开关，所述第二开关与所述第二导线串联、由所述控制器控制，其中在检测到所述故障条件时，所述控制器也断开所述第二开关。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述故障条件包括以下各项中的至少一者：所述第一导线或所述第二导线到接地的短路；所述第一导线或所述第二导线到外部电池电压的短路；或所述第一导线与所述第二导线之间的短路。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器检测所述第一导线或第二导线中的至少一者上的电压并将所述电压与可接受电压范围进行比较以确定是否存在所述故障条件。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器检测穿过所述第一导线或第二导线中的至少一者的电流并将所述电流与阈值电流电平进行比较以确定是否存在所述故障条件。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一开关包括与二极管串联连接的MOSFET，所述二极管以与所述MOSFET的体二极管相反的极性被连接。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括第二开关，所述第二开关与所述第二导线串联、由所述控制器控制，其中在检测到所述故障条件时，所述控制器也断开所述第二开关，
其中所述第一开关及所述第二开关各自包括背对背串联连接的MOSFET，所述背对背串联连接的MOSFET具有对置的体二极管。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以在跨越所述导线对的电压超过预定阈值电压时断开所述第一开关。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以在跨越所述导线对的电压低于预定阈值电压时断开所述第一开关。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以在所述第一导线上的电压低于预定阈值电压时断开所述第一开关。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以在所述第一导线上的电压高于预定阈值电压时断开所述第一开关。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以在所述第二导线上的电压低于预定阈值电压时断开所述第一开关。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以在所述第二导线上的电压高于预定阈值电压时断开所述第一开关。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述导线对是所述PSE与PD之间仅有的DC传导路径。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述PSE进一步包括：
DC电压源；及
变压器隔离式DC/DC转换器，其耦合到所述DC电压源以产生到所述PD的所述DC电力，使得所述PD及所述第一开关与所述DC电压源及DC/DC转换器是DC隔离的。
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