CN109428730A - 以太网供电系统及其中执行的方法 - Google Patents

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Abstract

PoE系统包括经由屏蔽的双绞线连接到PD的PSE，其中差分数据仅通过该双绞线传输，以及其中当使用屏蔽导体作为接地时经由双绞线中的并行传导直流电压的导线传输直流电。通过经由导线并行传导源电流和经由屏蔽导体传导返回电流，PSE控制器和PD控制器执行低功率握手过程。中心抽头自动变压器用于将两条导线连接到PSE控制器和PD控制器以及连接到PSE中的直流电压源。在成功握手过程之后，PSE通过接通第一电源开关将直流电压耦接在双绞线和屏蔽导体之间。然后，PD控制器接通第二电源开关来对负载供电。

Description

以太网供电系统及其中执行的方法
相关申请的交叉引用
本申请基于2017年8月25日提交的序列号为62/550533的美国临申请并要求其优先权，该美国临时申请被转让给当前受让人并通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及以太网供电(Power over Ethernet，PoE)系统，其中来自供电设备(Power Sourcing Equipment，PSE)的功率通过导线传输到受电设备(Powered Device，PD)，这些导线还用于传导差分数据信号，该差分数据信号通常是以太网信号，并且在将全PoE电压施加到导线上之前进行握手过程(routine)。
背景技术
已知通过数据线向电力远程设备传输功率。以太网供电(Power over Ethernet，PoE)就是这样一种系统的示例。在PoE中，有限的功率从以太网交换机传输到以太网连接设备(例如，因特网协议上的语音(Voice over Internet Protocol，VoIP)电话、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)发射机、安全摄像机等)。在标准的CAT-5布线中，来自以太网交换机的直流电通过两个或更多个双绞线进行传输。因为直流共模电压不会影响数据，所以一个或多个双绞线也可以传输差分数据信号。以这种方式，可以无需为受电设备(Powered Device，PD)提供任何的外部电源。IEEE 802.3中列出了PoE的标准，通过引用合并在本文中。
PoE可以使用标准化的低功率握手过程，以确保PD与通过导线接收的直流PoE电压兼容。该握手可包括多个双绞线上的、PSE产生的低功率信号/低电压信号，PD可以以特有的方式响应以用于PSE识别PD是兼容PoE的(通常称为检测特征)。该检测特征可包括横跨多个双绞线的25千欧姆(kohm)的电阻。在PSE执行检测之后，可以通过导线执行低功率过程，以识别PD的功率需求以及其他信息。这称为分类。
发明内容
公开了一种PoE系统，其中，只有一个双绞线用于PSE和PD之间的双工差分数据通信。该双绞线由周围的导体屏蔽，以降低耦合到该双绞线中的环境噪声。该屏蔽导体可以在PSE端接地。
导线连接到在PSE和PD中的中心抽头自动变压器，其中，中心抽头等同地提供到两个导线的直流(和低频)连接。因此，两条导线在低功率、低频握手阶段中以及当PSE向PD供应全PoE电压时携载相等的电压和源电流。对于握手阶段和PoE功率传输，屏蔽导体传导返回电流。
在一个实施例中，PSE可仅在分类阶段确定PD的PoE需求，PD呈现(present)导线(经过自动变压器)与屏蔽导体之间的检测特征，该检测特征例如为25千欧姆(kohm)的电阻器。PSE检测该特征电阻，以便确定PD是兼容PoE的。在另一个实施例中，PSE可以在检测阶段之前确定PD的PoE需求，PSE利用检测电流探测PD，从而PD呈现导线(经过自动变压器)与屏蔽导体之间的检测特征，该检测特征例如为具有电流限制的恒压分流器。PSE检测随后的特征电压，以便确定在施加全电压之前PD是否需要分类。
接下来，PSE可以在低功率分类过程中通过双绞线(经过自动变压器)和屏蔽导体确定PD的PoE功率需求。在PSE可以在检测阶段之前确定PD的PoE功率需求的实施例中，PSE可以跳过分类阶段并进入上电阶段。
一旦握手阶段结束，PSE接通电源开关，以将PoE电压源耦接在屏蔽导线(通常接地)与双绞线中的两条导线之间。因此，双绞线中的两条导线并行地携载PD电流，从而能够传导相对高的电流。屏蔽导体携载返回电流，屏蔽导体通常可以比双绞线中的导线携载更高的电流。直流电导体因此具有低电阻，因此存在较低的电压降。对双绞线的屏蔽显著降低了环境噪声耦合。这种技术允许PSE与PD之间的电缆达到大约一千米，而不是标准PoE的典型100米极限。
在PSE和PD处使用交流耦合/去耦电路，以仅经由双绞线仅将以太网差分数据信号传递到数字通信电路(例如，端口物理层(Port Physical Layer，PHY))。
对各种其它实施例进行了描述。
本公开中使用PSE和PD这两个术语来标识供应功率的设备和接收功率的设备，除非指定，否则这些设备/装置不限于以太网设备/装置。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的PoE系统，其使用屏蔽的双绞线来传导所有的握手信号、全PoE直流电压和差分以太网信号。
图2是标出了由图1的系统执行的各步骤的流程图。
相同或等效的元件用相同的数字标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的PoE系统中的相关功能单元。
PSE 10和PD 12被示出为经由被屏蔽导体16包围的单个双绞线14进行耦接。该屏蔽导体接地并显著减少了耦合到该双绞线14中的环境噪声信号。
该双绞线14传导以太网差分数据信号。电容器C1-C4使这些差分数据信号通过并阻断直流信号。PSE侧的端口物理层(Port Physical Layer，PHY)20和PD侧的PHY 22均包括常规的模数处理电路，该模数处理电路用于PSE 10与PD 12之间的数据通信。该双绞线14双向地传导信号(双工通信)。电路的以太网数据部分可以是常规的，该以太网数据部分与本发明不相关。在另一个实施例中，不使用交流耦合电容器，而是PHY 20和22通过抑制双绞线14上的共模信号(例如直流电信号)的多个变压器进行交流耦接。
电感器L1-L4基本上只传导直流信号(和低频信号)，并阻断交流信号(例如以太网数据)。由于L1和L2具有公共节点且L3和L4具有公共节点，因此双绞线14中的两条导线承载施加到电感器L1和L2公共节点的、相同的直流电压。一半的PD电流流经四个电感器L1-L4中的每一个。电感器L1和L2形成一中心抽头自动变压器，电感器L3和L4形成另一中心抽头自动变压器。通常，屏蔽导体16耦接到基准电压，例如接地。
PSE控制器26接收双绞线14上的交流信号和直流信号，并连接到屏蔽导体16。在一个实施例中，PSE控制器26可以通过双绞线14和屏蔽导体16向PD控制器28发送交流信号和直流信号。PSE控制器26可以是在处理器、固件、状态机等控制下执行各种程序的集成电路(Integrated Circuit，IC)。PSE控制器26执行与PD控制器28的握手过程，用以检测PD 12是允许PoE的，并用以从PD 12获取传达PD 12的PoE需求的更多信息(例如，分类特征)。PD控制器28可以是在处理器、固件、状态机等控制下执行各种过程的IC。
PD控制器28响应PSE控制器26的信号而执行握手过程，以传送PSE控制器所需的PoE信息，以便PSE 10向PD 12供应适当的电压和功率，直至最大功率电平(分类特征中所定义的)。
在该系统上电时，PSE控制器26通过双绞线14(并行传导)和屏蔽导体16提供极限电流或极限电压(例如，5V)，以测试来自PD 12的、识别PD 12允许PoE的特征响应。这就是所谓的检测阶段。可以使用各种检测特征技术，例如在双绞线14与屏蔽导体16之间连接25千欧姆(kohm)的电阻器。PD控制器28内的特征器件连接在电感器L3和L4的公共节点与屏蔽导体16之间。PSE控制器26通过感测由此获得的、经由电感器L1和L2的公共节点和屏蔽导体16的电压或电流，来检测特征器件的特性。在仅通过分类阶段获得PD的PoE需求且未检测到有效特征电阻的实施例中，PSE控制器26可以不继续进行握手过程，并且选择不通过双绞线14和屏蔽导体16供电。在PSE可在检测阶段之前已知PD的PoE需求的实施例中，PSE控制器26可通过进入上电阶段来响应有效特征电压的检测并跳过分类阶段。
在只在分类阶段确定PD的PoE需求且PSE控制器26识别出了适当的特征电阻的实施例中，PSE控制器26在分类阶段生成额外的低电流信号或低电压信号以识别关于PD 12的PoE需求的详细内容。在PSE可在检测阶段之前已知PD的PoE需求且PSE控制器26识别出了适当的特征电压的实施例中，PSE控制器26可跳过分类阶段并进入上电阶段。
对于只在分类阶段确定PD的PoE需求的实施例，PSE控制器26在分类阶段使经由双绞线14(导线并行传导相同的电压或电流)和屏蔽导体16到PD控制器28的电压斜升。在该阶段，使用该低功率为PD控制器28供电。PSE控制器26生成一个脉冲(指示它是类型1的PSE)或两个脉冲(指示它是类型2的PSE)。PD控制器28对具有特定电流水平的分类脉冲进行响应，以识别PD 12是类型1还是类型2。类型1的PD需要小于13W。类型2的PD需要最高达25.5W。还可以识别这些类型中的各个类别(例如，五个类别)，每个类别与最大平均电流水平和最大瞬时电流水平相关。IEEE标准规定了过程的详细内容。可以使用其他分类过程。PSE控制器26可使用该功率需求信息来确定PSE 10是否能够为PD 12提供所需的功率，PD控制器28使用该信息以确定PD 12是否能够利用PSE 10进行完全地操作。存在有用于检测阶段和分类阶段的最大时间窗(例如，500毫秒)。至此，通过双绞线14(其中两条导线传导相同的电压和电流)和屏蔽导体16进行全部的低功率握手。
对于可在检测阶段之前确定PD的PoE需求且PSE检测到了无效特征电压的实施例，PSE使双绞线14和屏蔽导体16之间的、至PD控制器28的电压瞬间向下跳变，以便启动分类阶段。通过调整双绞线14与屏蔽导体16之间的电压来对PD供电。PD也可以通过使双绞线14和屏蔽导体16之间的、至PSE控制器26的电压瞬间向下跳变来响应PSE脉冲，以便指示PD存在。PSE可以通过发送一系列短和长的低脉冲来向PD传送系列信息来响应PD存在脉冲。在所传送的系列信息之后，PD可拉低或不拉低双绞线14与屏蔽导体16之间的电压以向PSE控制器26发送信号，来响应PSE拉低至PD控制器28的电压。如果来自PD的、至PSE的所接收的脉冲组合表示有效且兼容的PD，则PSE可以进入上电阶段。
可在将来标准化和实现其他类型的检测过程和分类过程。
一旦完成检测阶段和分类阶段，PSE控制器26接通电源开关30，以耦合全PSE电压(PSE voltage，VPSE)，该全PSE电压来自双绞线14(经由电感器L1和L2)与屏蔽导体16之间的电压源32。
一旦PD控制器28检测到已经超过了欠压锁定(under-voltage lockout，UVLO)阈值，则PD控制器28就接通电源开关34，以将直流电耦合到PD负载36。开关34的接通也为PHY22和其它数字通信电路供电。PD负载36可以是任何负载，例如摄像机、传感器等。此时，PD12开始正常工作。通过双绞线14(屏蔽导体16不涉及数据通信)在PSE10和PD 12之间进行以太网通信，而使用双绞线14和屏蔽导体16传导直流电。
由于双绞线14中的两条导线都携载PoE源电流，且屏蔽导体16携载返回电流，因此可以通过PD 12绘制高电流。此外，屏蔽导体16可以是包围双绞线14的金属丝网，屏蔽导体16阻断了正耦合到双绞线14上的环境噪声。这允许PSE 10和PD 12分开超过1千米(取决于数据速率)，而非对于非屏蔽双绞线而言的典型最大分离100米。低功率握手使用双绞线14和屏蔽导体16来携载低频电压和电流，并且全直流电也由双绞线14和屏蔽导体16携载。
如果PSE控制器26和PD控制器28不需要通过双绞线14中的导线发送或接收任何信号，则可以去除控制器26、28与导线的直接连接(如图1所示)，从而在控制器26、28与双绞线14之间只存在经由电感器L1-L4的直流(或低频)连接。在一个实施例中，如图1所示，控制器26和28直接连接到导线，但是在握手过程中仅双绞线14中的一条导线连同屏蔽导体16一起用于传导低功率信号。在另一个实施例中，如图1所示，控制器26和28直接连接到导线，此时，握手过程中的所有低功率信号由两条导线传导，屏蔽导体16不用于传导握手信号(屏蔽导体16仍用于传导全PoE电压)。
图2标出了在本发明一个实施例中执行的各种步骤，在该实施例中PSE只在分类阶段中确定PD的PoE需求。如上所述，其他过程将应用于其他类型的检测方法和分类方法。
在步骤50中，系统开始启动，其中系统包括通过屏蔽的双绞线连接的PSE和PD。中心抽头自动变压器用于将直流信号和低频握手信号耦合到PSE控制器和PD控制器。
在步骤52中，PD控制器呈现跨接双绞线和屏蔽导体的、将PD识别为兼容PoE的特征电阻。
在步骤54中，PSE控制器检测该特征电阻。
在步骤56中，PSE控制器接着使用双绞线和屏蔽导体执行低功率分类过程，其中双绞线中的两条导线并行地传导电流。
在步骤58中，PSE控制器接通电源开关，以在双绞线(经由自动变压器)与屏蔽导体之间耦接直流电压源。
在步骤60中，PD控制器检测电压，并且，如果高于阈值，则接通电源开关以将直流电压耦合到PD负载和数字电路元件。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域的技术人员来说，显而易见的是，可以在不偏离本发明的情况下在更广泛的方面做出变更和修改，因此，所附的权利要求将本发明的真正精神和范围内的所有这种变更和修改包含在其范围内。

Claims (20)

1.一种以太网供电PoE系统，其特征在于，所述系统包括：
供电设备PSE，所述PSE配置为经由单个导线对和包围所述导线对的屏蔽导体耦接到受电设备PD，其中，所述PSE配置为通过所述导线对传送差分数据信号；
第一交流耦合组件，所述第一交流耦合组件连接在所述PSE中的第一数字通信电路与所述导线对之间；
第一电感器，所述第一电感器具有与所述导线对中的第一导线耦接的第一端子；
第二电感器，所述第二电感器具有与所述导线对中的第二导线耦接的第一端子；
所述第一电感器具有在第一公共节点处与所述第二电感器的第二端子耦接的第二端子；
所述PSE包括PSE控制器，其中所述PSE控制器配置为，经由所述导线对和所述屏蔽导体执行低功率握手过程，以确定所述PD的PoE需求，其中所述第一导线和所述第二导线并行携载通过所述第一传感器和所述第二传感器的握手信号；以及
所述PSE还包括第一电源开关，所述PSE控制器配置成用于在所述低功率握手过程之后接通第一电源开关，使得直流电压源的第一端子耦接到所述第一公共节点，并且所述直流电压源的第二端子耦接到所述屏蔽导体，用于向所述PD供应直流电压以对所述PD供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一数字通信电路包括一个导线对以太网端口物理层PHY。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PSE控制器配置为检测所述PD的特征，作为所述低功率握手过程的一部分，以确定所述PD是否是兼容PoE的，其中所述PD包括特征组件，所述特征组件跨接在所述导线对和所述屏蔽导体上以用于所述PSE控制器检测所述特征组件。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PSE执行的低功率握手过程对所述PD的功率需求进行分类。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一交流耦接组件包括多个电容器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电感器和所述第二电感器包括中心抽头自动变压器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PoE系统还包括所述PD，其中，所述PD包括：
第二交流耦合组件，所述第二交流耦合组件连接在所述PD中的第二数字通信电路和所述导线对之间；
第三电感器，所述第三电感器具有与所述导线对中的第一导线耦接的第一端子；
第四电感器，所述第四电感器具有与所述导线对中的第二导线耦接的第一端子；
所述第三电感器具有在第二公共节点处与所述第四电感器的第二端子耦接的第二端子；以及
所述PD包括PD控制器，其中所述PD控制器配置为，经由所述导线对和所述屏蔽导体配合所述PSE控制器执行所述低功率握手过程，以确定所述PD的PoE需求，其中所述第一导线和所述第二导线并行携载通过所述第三电感器和所述第四电感器的握手信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PD控制器包括特征组件，所述特征组件跨接在所述导线对和所述屏蔽导体上以用于所述PSE控制器检测所述特征组件，作为所述低功率握手过程的一部分，以确定所述PD是否是兼容PoE的。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述特征组件包括耦接在所述第二公共节点与所述屏蔽导体之间的特征电阻。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PoE系统还包括所述PD中的第二开关，所述第二开关耦接在所述第二公共节点与PD负载之间，以在所述第二开关接通时向所述PD负载提供直流电压。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述PD负载具有耦接到所述屏蔽导体的第一端子和耦接到所述第二开关的第二端子。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PSE控制器耦接到所述导线对中的第一导线和第二导线，以经由所述导线对传送交流信号。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述PSE控制器还耦接到所述第一电感器和所述第二电感器的第一公共节点，并且还耦接到所述屏蔽导体。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低功率握手过程确定所述PD的功率需求。
15.一种在以太网供电PoE系统中执行的方法，其特征在于，所述系统包括供电设备PSE，所述PSE经由单个导线对和包围所述导线对的屏蔽导体耦接到受电设备PD，其中所述PSE配置为经由所述导线对传送差分数据信号，所述系统还包括第一电感器和第二电感器，所述第一电感器具有与所述导线对中的第一导线耦接的第一端子，所述第二电感器具有与所述导线对中的第二导线耦接的第一端子，所述第一电感器具有在第一公共节点处与所述第二电感器的第二端子耦接的第二端子，所述方法包括：
使用PSE控制器经由所述导线对和所述屏蔽导体执行低功率握手过程，以确定所述PD的PoE需求，其中所述第一导线和所述第二导线并行携载通过第一电感器和第二电感器的握手信号；以及
所述PSE控制器操作所述PSE中的第一电源开关，其中所述PSE控制器在所述低功率握手过程之后接通所述第一电源开关，使得直流电压源的第一端子耦接到所述第一公共节点，并且所述直流电压源的第二端子耦接到所述屏蔽导体，用于向所述PD供应直流电压以对所述PD供电。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
经由所述PSE中的第一数字通信电路与所述PD中的第二数字通信电路之间的导线对传送所述差分数据信号。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述低功率握手过程包括：
检测所述PD中的、跨接在所述导线对和所述屏蔽导体上的特征组件，以用于所述PSE控制器检测所述特征组件。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述PSE执行的低功率握手过程对所述PD的功率需求进行分类。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一电感器和所述第二电感器包括中心抽头自动变压器。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述PD包括第三电感器和第四电感器，所述第三电感器具有与所述导线对中的第一导线耦接的第一端子，以及所述第四电感器具有与所述导线对中的第二导线耦接的第一端子，所述第三电感器具有在第二公共节点处与所述第四电感器的第二端子耦接的第二端子，所述方法还包括：
接通所述PD中的、耦接在所述第二公共节点与PD负载之间的第二开关，以在所述低功率握手过程之后向所述PD负载供应直流电压。
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