CN107659337B - 数据线供电系统及电压测量系统 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及一种使用混合式共模扼流圈及电压的开尔文感测的通信系统。在经由一对导线传导差分数据的通信系统中，AC共模噪声在噪声环境中会不合意地耦合到所述导线。混合式共模扼流圈HCMC在将所述差分数据传递到PHY的同时使所述AC共模噪声衰减。所述HCMC包含CMC(具有相同极性的绕组)及差模扼流圈(具有相反极性的绕组)。所述CMC使所述AC共模噪声衰减，且所述DMC将所述经衰减AC共模噪声传递到端接电路以消除所述经衰减AC共模噪声。本发明还揭示一种技术，所述技术用于在PoDL系统中通过检测不载运DC电流的导线上的电压而对所述对导线处的DC电压进行开尔文感测，以提供更准确测量。

Description

数据线供电系统及电压测量系统
相关申请案交叉参考
本申请案是基于并主张安德鲁·J.·加德纳(Andrew J.Gardner)于2016年7月25日提出申请的第62/366,308号美国临时申请案的优先权，且还基于并主张安德鲁·J.·加德纳于2017年2月13日提出申请的第62/458,522号美国临时申请案的优先权，所述两个申请案以引用的方式并入本文中。
技术领域
一项发明涉及在双绞线对上使用差分数据的通信系统，且明确地说，涉及用于改进共模及差模损耗特性的技术。另一发明涉及数据线供电(PoDL)系统，其中来自供电设备(PSE)的电力经由单个导线对被传输到受电装置(PD)，所述单个导线对还用于传导差分数据信号(通常为以太网信号)且实现对系统中的电压的更准确测量。
背景技术
经由数据线传输电力以给远程设备供电是已知的。以此方式，可消除对给受电装置(PD)提供任何外部电源的需要。一种形式的此技术是数据线供电(PoDL)，其中电力连同差分数据一起经由单个双绞线对而传输。PoDL可能会成为一项普及技术，尤其是在汽车中。
图1图解说明从US 2016/0308683拷贝的PoDL系统的已知配置。媒体相关接口(MDI)连接器160耦合到载运差分数据及DC电压两者的双绞线对(未展示)。对PoDL系统两端的耦合可是相同的。
PHY 150经由MDI连接器160、共模扼流圈(CMC)210以及AC耦合电容器C1及C2输出差分数据及接收差分数据。PHY 150表示OSI模型中的物理层且为通常包含信号调节与解码电路以用于将位呈递给下一级的收发器。术语PHY是技术术语且取决于特定应用而由各种IEEE标准定义。PHY通常为集成电路。数字处理器(未展示)耦合到PHY 150以用于处理数据。
如果图1的电路处于PSE侧上，那么来自电源140的DC电压由单独电感器142耦合到导线。电感器142阻挡AC且使DC通过。
来自MDI连接器160的导线由电阻器R1及R2以及电容器C3及C4端接以使反射最小化。
图2图解说明另一现有技术电路，其中差分数据透过双绞线对12而传输且共模噪声由CMC1及CMC2滤除。由于不传导DC电压，因此可不需要AC耦合电容器。
CMC是具有两个与双绞线对串联的绕组的直列式变压器。如由CMC绕组上的点所展示，绕组具有相同极性，因此由差模信号产生的磁场基本上相互抵消。因此，CMC对差模电流呈现极小电感或阻抗。然而，共模电流因绕组的组合电感而遇到高阻抗。
在两种配置中，CMC理想地消除或极大地衰减共模RF噪声而不提供差分或DC电压信号的损耗。然而，CMC具有妨碍其理想性能的约束条件。此些约束条件包含绕组间电容、绕组的DC电阻(DCR)及芯损耗。CMC还必须向差分数据呈现低插入损耗及高回波损耗。
一些应用需要在噪声环境中(例如在工厂中)实现极低位错误率。常规CMC在不增加差分数据插入损耗的情况下无法单独实现此。用户可用屏蔽电缆替换无屏蔽双绞线对(通常，以太网CAT-5电缆)，但此会增添显著费用。
需要一种提供更稳健技术来滤除共模噪声的用于差分数据通信的端接技术。
另外，在一些PoDL应用中，用户需要知晓系统中的某些节点处的实际电压。在一些应用中，指定MDI连接器处的电压。然而，此电压因绕组的直流电阻(DCR)而无法在CMC的下游测量到，其中DC电流的变化使穿过绕组的损耗变化。给MDI(可能载运高PoDL电流)添加更多连接是不合意的，因为此可产生额外寄生电容负载。在MDI处不具有任何直接连接的情况下检测PD或PSE处的MDI电压将会更好。需要一种用以准确地检测PSE或PD处的MDI电压的技术。
发明内容
本文中揭示两项发明。一项发明是差分数据双绞线对的端接技术，所述端接技术增加对双绞线对上的AC共模RF噪声的拒斥。另一发明是一种用于在PoDL系统中准确地测量双绞线对上所传输的DC电压的技术。
本发明揭示一种具有三个端口的混合式共模扼流圈(HCMC)，其中每一端口由两个端子组成。第一端口耦合到PHY。第二端口是共模扼流圈(CMC)的第一端，其中绕组具有相同极性(点在相同端部上)。第三端口是差模扼流圈(DMC)的第一端，所述DMC具有拥有相反极性(点在相对端部上)的绕组。CMC及DMC的第二端耦合到第一端口。第三端口耦合到AC共模噪声的适合端接处。所述HCMC可为单个模块。
所述CMC在其两个端口之间具有大共模阻抗及低差模阻抗。AC共模信号在第一端口与第二端口之间的传输基本上受CMC妨碍，而差模信号的传输基本上不受CMC妨碍。相反地，AC共模信号穿过DMC到第三端口的传输基本上不受DMC妨碍，而AC差模信号的传输基本上受DMC妨碍。因此，DMC仅将已通过CMC的不希望AC共模噪声信号传递到第三端口。因此，CMC基本上阻挡AC共模噪声，且DMC移除任何剩余AC共模噪声(使AC共模噪声转向到第三端口)。
由于DMC改进AC共模拒斥，因此CMC绕组可具有较低电感值，从而减小CMC绕组的DCR且通过增加CMC的差模回波损耗而改进系统的总体效率。或者，CMC电感可保持不变，且总体AC共模拒斥可因DMC的分流动作而增加。
此允许在噪声环境中使用常规双绞线对(例如，CAT-5电缆)而非更昂贵的屏蔽电缆。
为减小反射，第三端口可连接到AC共模RF噪声的适合端接处，例如接地(如果无DC正被双绞线对传导)或连接到接地的电容器，或者第三端口端子可系接在一起且连接到到接地的单个电容器。
混合式CMC基本上是基于现有技术共模插入损耗而改进(即，减小共模噪声)，同时实现高差模回波损耗及低差模插入损耗。
本发明还揭示一种用于在PoDL系统中准确地测量双绞线对处的DC电压的技术。在常规系统中，在PSE的输出处检测来自PSE的电压，但高DC电流(例如)跨越CMC会产生电压降，其中绕组具有直流电阻(DCR)。因此，所测量电压高于在双绞线对的端部处实际施加的电压。
在PoDL应用中，HCMC的第二端口耦合到常规媒体相关接口(MDI)连接器，所述MDI连接器耦合到双绞线对。为准确地测量施加到双绞线对的电压，在MDI连接器处连接额外导线且在MDI连接器处直接测量电压有时是不切实际的。一种解决方案是在MDI连接器的输入处提供经AC耦合端接电阻器且测量电阻器与其相关联电容器之间的电压。到接地的经AC耦合端接电阻器会减小信号反射，且因到接地的AC耦合而基本上无DC电流被传导。因此，跨越电阻器不存在电压降。因此，电压感测使用高度准确的开尔文感测，因为所述感测不在载运DC电流的导体上执行。开尔文感测是指对载运极低电流的导线而非对高电流导线进行的电压检测。电压感测可由PSE或PD中的常规电压传感器执行。
附图说明
图1图解说明经由单对导线实现以太网通信及电力传输的常规PoDL系统的一端。除PSE或PD之外，另一端是相同的。
图2图解说明用于滤除共模噪声的在PHY与载运差分数据信号的双绞线对之间的CMC。
图3图解说明用于通过将DMC端子(第三端口)耦合到接地而端接导线以改进AC共模插入损耗的混合式CMC。
图4图解说明用于通过经由AC耦合电容器将DMC端子(第三端口)耦合到接地而端接导线的混合式CMC。
图5图解说明用于通过将DMC端子(第三端口)耦合在一起且接着经由AC耦合电容器耦合到接地而端接导线的混合式CMC。
图6图解说明PoDL系统中的混合式CMC，其中导线在MDI连接器与CMC之间由电阻器及AC耦合电容器端接。
图7图解说明用于准确地测量MDI连接器处的DC电压的应用于图7的电路的技术。
图8图解说明用于准确地测量MDI连接器处的DC电压的另一技术。
以相同编号标示各图中相同或等效的元件。
具体实施方式
图3图解说明混合式共模扼流圈(HCMC)16的使用。HCMC 16具有三个端口，其中每一端口由两个端子组成。第一端口18是CMC 20的第一端，且第二端口22是CMC 20的另一端。如果HCMC 16并入PoDL系统中，那么AC耦合电容器可耦合在第一端口18与PHY 150(收发器)之间。用于载运差分数据的双绞线对12可耦合到第二端口22。MDI连接器可用于在第二端口22与双绞线对12之间进行连接。CMC 20的两个绕组具有相同极性(点在第二端口端处)，因此CMC 20妨碍(极大地衰减)共模噪声信号。CMC 20的第一端还耦合到差模扼流圈(DMC)24，所述DMC是拥有具有相反极性(点在相对端上)的绕组的变压器。DMC 24的另一端是第三端口26。第三端口26可耦合到使反射最小化的适合AC端接处。
DMC 24因绕组的相反极性而阻挡由PHY 150产生的及来自导线对12的AC差分信号。
HCMC 16基本上减小导线对12上的共模噪声，同时实现高差模回波损耗(阻尼反射)及低差模插入损耗。
CMC 20因其绕组具有相同极性而具有大共模阻抗，因此导线对12上的共模噪声被阻挡。CMC 20因其绕组具有相同极性而在其两个端口之间具有低差模阻抗，因此差分数据自由通过。CMC 20还使来自PoDL系统中的PSE电压源的任何DC电压自由通过。如果使用PoDL系统，那么DC电压可使用图1中的电感器142连接到双绞线对12，或DC电压可连接到第三端口26，其中电力供应器吸收通过DMC 24的AC共模噪声。
相反地，在DMC 24的作用下，AC共模信号在CMC 20与第三端口26之间的传输基本上不受DMC 24妨碍，而AC差模信号的传输基本上受DMC 24妨碍。以此方式，连接到第三端口26的电路可用于基本上消除已通过CMC 20的任何AC共模信号。假设系统不是PoDL系统，连接到第三端口26的此电路可包含接地，如图3中所展示。
图4及5中展示耦合到第三端口28的用以端接导线且消除AC共模信号的另一电路。图4图解说明经由AC耦合电容器30及32连接到接地以端接导线且消除AC共模信号的第三端口26。图5图解说明连接在一起且接着经由AC耦合电容器34连接到接地以端接导线且消除AC共模信号的第三端口26的两个端子。
由于DMC 24改进AC共模拒斥，因此CMC 20的绕组可具有较低电感值，从而导致CMC20的DCR的降低且改进系统的总体效率。还减小芯损耗。此还允许在噪声环境中使用常规双绞线对12(例如，CAT-5电缆)而非更昂贵的屏蔽电缆。
现在参考图6到8将描述一种用于准确地测量双绞线对处的电压的技术。在常规系统中，在PSE的输出处检测来自PSE的DC电压，但高DC电流(例如)跨越CMC会产生电压降，其中绕组具有直流电阻(DCR)。因此，所测量电压高于在双绞线对的端部处实际施加的电压。一些应用需要准确测量施加到双绞线对的电压。
图6图解说明PoDL系统，其中经AC耦合端接电阻器40及41耦合到MDI连接器160的端子以消除双绞线对12上的反射。PSE 48经由DMC 24而提供双绞线对上的DC电压。由于电容器42及43阻挡DC，因此无DC电压流过电阻器40及41。因此，跨越电阻器40及41不存在DC电压降。
在其中需要测量MDI连接器160处的DC电压以准确地测量施加到双绞线对12的电压的情形中，在MDI连接器160(可能载运高电流)处连接额外导线及在MDI连接器160处直接测量电压有时是不切实际的。
如图7中所展示，导体49连接于电阻器40及41与其相关联电容器42及43之间的节点处。导体49通向PSE 48内的常规DC电压感测装置。电压感测装置可产生识别电压的模拟或数字信号，或所感测电压以其它方式用于确定系统的适当操作。在一个实施例中，电压感测装置是产生对应于模拟电压的数字信号的模/数转换器。
因此，电压感测使用高度准确的开尔文感测，因为所述感测不在载运DC电流的导体上执行。开尔文感测是指对载运极低电流的导线而非对高电流导线进行的电压检测。
相同开尔文感测在图7中所展示的PD侧上进行，其中PD 50含有(例如)用于确定系统是否满足某些要求的DC电压感测装置。DC电压使用导体56从经由电容器54及55连接到接地的经AC耦合电阻器52及53流出。
因此，在PSE或PD中在MDI连接器端子处使用开尔文感测来准确地测量双绞线对12内外的电压。
跨越PSE 48及PD 50的DC电压端子的电容器使DC电压变平滑。
图8图解说明开尔文感测的另一实施例，其中DC电压从经由电容器61及62连接到接地的经AC耦合电阻器58及59的节点流出。由于无DC电流流过电阻器58及59，因此不存在电压降。因此，双绞线对12的端部处的DC电压得以准确地测量。
在图8中，AC耦合电容器C1及C2将AC差分数据耦合到PHY 150，且PHY 150的输入处的CMC 66移除AC共模噪声信号。
PSE 48经由CMC 68及DMC 70给双绞线对12提供DC电压。CMC及DMC两者均允许DC电压通过，同时阻挡AC电压。在PD侧上提供用于测量双绞线对12处的电压的相同配置。
虽然已展示及描述了本发明的特定实施例，但所属领域的技术人员将显而易见，可在不背离本发明的情况下对本发明的较宽广方面做出改变及修改，且因此，所附权利要求书欲将属于本发明的真正精神及范围内的所有此些改变及修改涵盖于其范围内。

Claims (12)

1.一种数据线供电PoDL系统及电压测量系统，其包括：
一对导线，其载运差分数据及DC电压；
供电设备PSE，其经由DC耦合电路给所述一对导线提供所述DC电压；
共模扼流圈CMC，其耦合在所述一对导线与收发器之间，所述CMC包括拥有具有相同极性的两个绕组的第一变压器，其中所述CMC使所述一对导线上的AC共模信号衰减且使所述差分数据通过；
端接电路，其耦合在所述CMC与所述一对导线之间，所述端接电路包括耦合到所述一对导线中的第一者的第一电阻器，其中所述第一电阻器经由第一电容器耦合到接地，所述端接电路进一步包括耦合到所述一对导线中的第二者的第二电阻器，其中所述第二电阻器经由第二电容器耦合到接地；
第一导体，其耦合到所述第一电阻器与所述第一电容器之间的第一节点；
第二导体，其耦合到所述第二电阻器与所述第二电容器之间的第二节点；且
所述第一导体及所述第二导体耦合到用于检测施加到所述一对导线的所述DC电压的电压传感器。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括将DC电压耦合到所述一对导线的供电设备PSE，所述PSE经由DC耦合电路耦合在所述CMC与所述收发器之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述DC耦合电路包括一或多个电感器。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述DC耦合电路包括耦合在所述CMC与所述收发器之间的差模扼流圈DMC，所述DMC包括拥有具有相反极性的两个绕组的第二变压器，其中所述DMC使从所述一对导线通过所述CMC的所述AC共模信号通过。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述DMC将所述AC共模信号应用于AC端接电路以在被所述收发器接收到之前使所述AC共模信号进一步衰减。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电压传感器位于所述PSE内。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压传感器包括模数转换器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一导体及所述第二导体为所述一对导线提供开尔文连接器以用于检测施加到所述一对导线的所述DC电压。
9.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括将DC电压耦合到所述一对导线的供电设备PSE，所述PSE经由DC耦合电路耦合到所述一对导线。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述DC耦合电路包括一或多个电感器。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述DC耦合电路包括耦合在所述PSE与所述一对导线之间的差模扼流圈DMC，所述DMC包括拥有具有相反极性的两个绕组的第二变压器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述DC电压不通过所述CMC耦合到所述一对导线。
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