CN110277223A - 用于支持大电流poe供电的共模电感及网络摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共模电感及具有其的网络摄像机。所述共模电感包括一个磁芯和四根导线,第一导线和第二导线绞在一起形成第一双绞线;第三导线和第四导线绞在一起形成第二双绞线;第一双绞线和第二双绞线在磁芯上缠绕的圈数一样,且其缠绕方向设置为使得:在电流方向一致的情况下,两对双绞线在所述磁芯中产生的磁场方向一致。本发明的共模电感在同一个磁芯上设置两对双绞线,且将两对双绞线在所述磁芯上缠绕的方向和圈数设置为使得在相同电流的情况下,两对双绞线在所述磁芯上产生相同的磁场。由此,增大电感,避免共模电感在POE供电大电流下导致电感饱和,并提高抑制共模信号的能力,并且使得可以采用尺寸较小的磁芯。
Description
技术领域
本发明涉及摄像机技术领域,特别是涉及一种用于支持大电流POE供电的共模电感及具有其的网络摄像机。
背景技术
通常,电子设备的网络接口部分因为会传输高频信号,且能量较强,又是设备对外接口,往往成为设备的EMI辐射源。为此,会在网络传输的差分线上增加一个共模电感来抑制共模信号(即EMI辐射的主要来源),从而降低设备对外的辐射能量大小,常规的网口共模信号抑制用的共模电感设计参见图1。共模信号是指幅度相等,相位相同的信号。
在用于高速信号共模抑制的共模电感中,将一对差分线绞在一起后再缠绕于一个磁芯上。这样当传输差模信号时,由于导线中总的电流为0(差模信号传输时一对线中的两根线上电流大小相同方向相反),因此共模电感对差模信号没有阻碍作用。当传输共模信号时,由于导线中总的电流不为0,因此共模电感的表现将和一个单纯的电感类似,即通直流阻交流,从而对高频共模信号产生抑制作用,进一步降低因为高频共模信号引起的EMI问题。
传统的共模电感应用于普通网络接口时能很好的抑制共模干扰,但是应用于网络摄像机等设备时会有一些问题。具体地,在网络摄像机使用POE供电时,会通过网线传输很大的直流信号。
上述的大电流将产生两个问题。第一个问题是使得共模电感的电感绕线上通过的电流很大,线上损耗和发热将变得很严重。第二个问题是,大电流将导致电感饱和,抑制共模信号的能力降低。对于第一个问题,可以通过增粗线圈实现,而对于第二个问题,则通常通过增大磁芯来实现。而增大磁芯的方式在电流很大的情况下将导致器件尺寸迅速变大,而磁芯尺寸变大则会影响到共模电感在小尺寸产品上的应用、同时共模电感的差模特性也将受到影响。
因此,希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述需要采用大尺寸磁芯的缺陷。
发明内容
本发明属于监控摄像机技术领域的EMI问题解决方案。本发明解决的技术问题为用于在消除原有网络上共模分量能量的情况下保持设备能支持POE的大电流供电能力。
本发明实施例在于提供一种支持大电流POE供电的共模电感来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
本发明的实施例在于提供一种网络摄像机来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
本发明实施例提供一种用于支持大电流POE供电的共模电感,所述共模电感包括一个磁芯和四根导线,第一导线和第二导线绞在一起形成第一双绞线;第三导线和第四导线绞在一起形成第二双绞线;所述第一双绞线和第二双绞线缠绕在所述磁芯上,其中,所述第一双绞线和第二双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数一样,且所述第一双绞线和第二双绞线在所述磁芯上的缠绕方向设置为使得:在电流方向一致的情况下,两对双绞线在所述磁芯中产生的磁场方向一致。大电流POE供电是指供电最大功率约为13W左右或更大,对应最大电流约为350mA或更大。
优选地,所述磁芯为磁环。
优选地,所述第一双绞线和第二双绞线在磁环上的缠绕方向相反,且在所述磁环上镜像对称设置。
优选地,所述第一双绞线和第二双绞线各自在所述磁环上覆盖一半的长度。
优选地,所述磁芯为直线型磁芯,所述第一双绞线和第二双绞线以相同的缠绕方向从所述直线型磁芯的一端缠绕至所述直线型磁芯的另一端。
优选地,所述第一双绞线和第二双绞线仅仅在需要从磁芯上引出时结束双绞关系,为在导线双绞情况下,保持所述第一双绞线和第二双绞线的差分阻抗为100ohm。
优选地,所述共模电感封装为一个8pin脚器件,一侧设置有四个输入pin脚,另一侧对称设置有四个输出pin脚。
优选地,所述磁环的材质为锰锌合金,且所述磁环的尺寸为:外周直径是2-4mm;内周直径是1mm-2mm;磁环的高度是2mm至3mm;所述第一双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数为10至20圈;所述第一双绞线和第二双绞线的每根单线的粗细为0.05mm至0.3mm。更优选地,所述磁环的尺寸为:外周直径=3.05mm;内周直径=1.78mm;磁环的高度=2.54mm;所述第一双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数为13圈;所述第一双绞线和第二双绞线的每根单线的粗细为0.1mm。
本发明实施例还提供一种网络摄像机,所述网络摄像机包括POE网口和网络变压器,在所述POE网口和网络变压器之间连接有共模电感,其中,所述共模电感是如上所述的共模电感,其中,第一双绞线用于传递RX+/-信号;第二双绞线用于传递TX+/-信号,所述RX+/-信号和所述TX+/-信号之间具有设定的直流压差。
优选地,所述POE网口为千兆网口,且所述共模电感的数量为两个。
优选地,所述共模电感与所述网络变压器布置在同一块PCB板上。
本发明的共模电感在同一个磁芯上设置两对双绞线,且将两对双绞线在所述磁芯上缠绕的方向和圈数设置为使得在相同电流的情况下,两对双绞线在所述磁芯上产生相同的磁场。由此,增大电感,避免共模电感在POE供电大电流下导致电感饱和,并提高抑制共模信号的能力,并且使得可以采用尺寸较小的磁芯。
附图说明
图1为现有技术的高速信号共模电感设计方案。
图2示出网络摄像机的一般结构。
图3为POE供电电路。
图4为根据本发明第一实施例的的大POE电流共模电感示意图。
图5为本发明的共模电感的封装示意图。
图6为本发明的共模电感的接入示意图。
图7为根据本发明第二实施例的共模电感的示意图。
附图标记:
具体实施方式
在附图中,使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
参见图2,网络摄像机通常包括镜头、图像传感器、处理器芯片(CPU)、网络芯片、网口(网络接口)、供电电路和外壳结构。网络接口因为会传输高频信号,且能量较强,又是设备对外接口,往往成为设备的EMI辐射源。
电磁干扰(EMI,Electromagnetic Interference)是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象,有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络,在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
网络摄像机通常有两种供电方式,即普通电源适配器供电和POE供电。在使用POE供电时,会通过网线传输很大的直流信号。具体而言,在采用POE供电时,来自网络接口的信号在网络变压器处分离,分离为高频信号和直流信号,其中直流信号用作供电电流。从而,在采用POE供电,且在网口与网络变压器之间设置共模电感来抑制EMI时,流经所述共模电感的电流很大。
POE(Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下,在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时,还能为此类设备提供直流供电的技术。
按照目前的POE协议:基于802.3AF协议的设备供电最大功率约为13W,对应最大电流约为350mA;基于802.3AT协议的设备供电最大功率约为25.4W,对应最大电流约为720mA;而基于最新的802.3BT协议的设备预计最大供电功率约为75W,对应最大电流约为2000mA。
通过POE向设备供电的电路参见图3。在图3所示的POE供电电路中,在网络通信中,线路RX-和RX+为一对差分信号(也称为差模信号),线路TX-和TX+也为一对差分信号。差分信号或差模信号是指在一对差分线上传输的幅度相等,相位相反的信号。
前述两对信号线用于传输高频差分网络信号。同时这两对线还会被复用为传输直流电流信号,即在TX+/-与RX+/-之间会有一个36~57V的直流压差。
经过网络变压器的信号分离后,高频信号继续传输到TPTX+/-和TXRX+/-,直流信号从变压器中心抽头处接出,最终设备会从图中POE 12以及POE 36两处取走电流。共模电感放置的位置根据需求常常有两个位置,即图3中网络变压器的左侧和右侧(放置共模电感的位置可能与网络变压器在同一块PCB板上,也可能在不同PCB板上。在本发明中,共模电感设置在网络变压器与网口之间,即设置在图3中网络变压器的右侧。需要指出的是,本处示意图只代表电气连接方式,不代表实际布局。
当传统的共模电感放置在图3网络变压器右侧,在POE供电的情况下工作时,将带来两个问题:
1.电感绕线上通电流太大,线上损耗和发热将变得很严重;
2.大电流将导致电感饱和,抑制共模信号的能力降低。
上述两个问题中1可以通过增粗线圈实现,而对于2则通常通过增大磁芯来实现。而增大磁芯的方式在电流很大的情况下将导致器件尺寸迅速变大,而磁芯尺寸变大则会影响到共模电感在小尺寸产品上的应用、同时共模电感的差模特性也将受到影响。
参见图4和图7,本发明的共模电感包括一个磁芯21和四根导线。第一导线221和第二导线222绞在一起形成第一双绞线22;第三导线231和第四导线232绞在一起形成第二双绞线23。第一双绞线22和第二双绞线23缠绕在磁芯21上。
磁芯21可以采用任何适当的大小、形状与材质,以适应具体的应用环境。在图4所示实施例中,磁芯21为磁环。在图7中所示实施例中,磁芯21为直线型磁芯。可以理解的是,磁芯21还能够为其他适当形状。例如,磁芯21能够是非闭合的环形,即C型的磁芯。但是封闭的磁环是优选的技术方案。使用环形磁芯,磁芯闭环可以减少磁泄露,因此辐射更低。此外,封闭的磁环有利于封装成方形结构,参见图5。
第一双绞线22和第二双绞线23在所述磁芯21上缠绕的圈数一样。这样,能够保证:在同样电流大小情况下,第一双绞线22和第二双绞线23可以在磁芯21内产生同样大小的磁场。
第一双绞线22和第二双绞线23在所述磁芯21上的缠绕方向设置为使得:在电流方向一致的情况下,两对双绞线在所述磁芯21中产生的磁场方向一致。电流方向一致,是指从网口流向网络变压器,或者是指从网络变压器流向网口;例如,参见图4,都是从右侧流向左侧;或者参见图7,都是从右侧流向左侧。
在图4所示的实施例中,磁芯为磁环,也就是说,图4的磁芯为特定横截面绕着圆环的中心旋转360度所形成的形状。图4大体上示出了磁芯在俯视角度上的形状。第一双绞线和第二双绞线在磁环上的缠绕方向相反,保证在电流方向一致(即按照图4中所示,均为从右向左或均为从左向右)的情况下,两对双绞线在磁环中产生的磁场方向一致。在所述磁环上镜像对称设置。
更有利的是,在图4中,所述第一双绞线和第二双绞线各自在所述磁环上覆盖一半的长度,其中,第一双绞线22覆盖磁环的上半部,第二双绞线23覆盖磁环的下半部。需要指出的是的是,覆盖范围可以按照图4所示的各覆盖一半,也可以以其他任何方式进行覆盖。例如,各覆盖三分之一;或者各覆盖三分之二(有重叠区域)。
优选地,所述磁环的材质为锰锌合金,且所述磁环的尺寸为:外周直径是2mm至4mm(即在2mm至4mm的范围内,下文类似);内周直径是1mm至2mm;磁环的高度是2mm至3mm;所述第一双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数为10至20圈;所述第一双绞线和第二双绞线的每根单线的粗细为0.05至0.3mm。在图4所示的实施例中,磁芯21为磁环,且磁环的材质为锰锌合金。如前所述,图4的磁芯为特定横截面绕着圆环的中心旋转360度所形成的形状。在一个备选实施例中,所述特定横截面形状为高度大于宽度的矩形。在一个具体实施例中,磁环的尺寸为3.05mm(圆环的外周直径)*1.78mm(圆环的内周直径)*2.54mm(圆环的高度)。也就是说,所述特定横截面形状的矩形的高度为2.54mm,宽度为0.635mm。磁芯上绕线的匝数为13圈(单组双绞线)。绕线的粗细为0.1mm。
在图4中,第一双绞线和第二双绞线在磁环上的缠绕方向相反。在图7中,所述磁芯为直线型磁芯,所述第一双绞线和第二双绞线以相同的缠绕方向从所述直线型磁芯的一端缠绕至所述直线型磁芯的另一端。也就是说,第一双绞线和第二双绞线在磁芯上的缠绕方向相同。从而,使得,在电流方向相同的情况下,两对双绞线在磁芯中产生的磁场方向一致。
有利的是,所述第一双绞线和第二双绞线仅仅在需要从磁芯上引出时结束双绞关系,为在导线双绞情况下,保持所述第一双绞线和第二双绞线的差分阻抗为100ohm。
优选地,所述共模电感封装为一个8pin脚器件,一侧设置有四个输入pin脚,另一侧对称设置有四个输出pin脚。
本发明还提供一种网络摄像机,所述网络摄像机包括POE网口和网络变压器,在所述POE网口和网络变压器之间连接有共模电感,其中,所述共模电感是如上所述的共模电感,其中,第一双绞线用于传递RX+/-信号;第二双绞线用于传递TX+/-信号,所述RX+/-信号和所述TX+/-信号之间具有设定的直流压差。有利的是,所述网络摄像机同时还具有常规供电端口。
在实际使用中,如图6所示,在网络信号线的差分线上串入本发明中的共模电感。共模电感2串接在网口1和网络变压器3之间。
在POE网口为百兆网口的情况下,可以直接使用上述的共模电感,以适应于百兆网口。在所述POE网口为千兆网口的情况下,由于千兆信号通常包含四对双绞线,因此需要使用的共模电感的数量为两个。
在一个可选实施例中,共模电感2与网络变压器3布置在同一块PCB板上。在另一个备选实施例中,共模电感2与网络变压器3未布置在同一块PCB板上,例如,可以将共模电感2设置在网口上,或者设置在一个单独的安装板上。
本发明的共模电感在同一个磁芯上设置两对双绞线,且将两对双绞线在所述磁芯上缠绕的方向和圈数设置为使得在相同电流的情况下,两对双绞线在所述磁芯上产生相同的磁场。由此,增大电感,避免共模电感在POE供电大电流下导致电感饱和,并提高抑制共模信号的能力,并且使得可以采用尺寸较小的磁芯。
本发明带来的功能提升如下。在POE的应用中,第一双绞线上的电流和第二双绞线上的电流大小相同方向相反,因此在共模电感上的总电流为0,即在POE的应用中,电流增加只需要增加使用的导线的直径,而不用增大磁芯,因此本设计可以用很小的磁芯满足大电流POE的应用。本发明的共模电感能够用于抑制网络摄像机的网口共模信号,同时兼容了网络摄像机的大电流POE应用模式,对产品小型化、产品EMI抑制、大电流POE产品EMI控制等都有很大的意义。
最后需要指出的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解:可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述共模电感包括一个磁芯和四根导线,第一导线和第二导线绞在一起形成第一双绞线;第三导线和第四导线绞在一起形成第二双绞线;所述第一双绞线和第二双绞线缠绕在所述磁芯上,其中,所述第一双绞线和第二双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数一样,且所述第一双绞线和第二双绞线在所述磁芯上的缠绕方向设置为使得:在电流方向一致的情况下,两对双绞线在所述磁芯中产生的磁场方向一致。
2.如权利要求1所述的用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述磁芯为磁环。
3.如权利要求2所述的用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述第一双绞线和第二双绞线在磁环上的缠绕方向相反,且在所述磁环上镜像对称设置。
4.如权利要求3所述的用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述第一双绞线和第二双绞线各自在所述磁环上覆盖一半的长度。
5.如权利要求1所述的用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述磁芯为直线型磁芯,所述第一双绞线和第二双绞线以相同的缠绕方向从所述直线型磁芯的一端缠绕至所述直线型磁芯的另一端。
6.如权利要求1-5中任一项所述的用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述第一双绞线和第二双绞线仅仅在需要从磁芯上引出时结束双绞关系,为在导线双绞情况下,保持所述第一双绞线和第二双绞线的差分阻抗为100ohm。
7.如权利要求1-5中任一项所述的用于支持大电流POE供电的共模电感,其特征在于,所述共模电感封装为一个8pin脚器件,一侧设置有四个输入pin脚,另一侧对称设置有四个输出pin脚。
8.如权利要求2-5中任一项所述的共模电感,其特征在于,所述磁环的材质为锰锌合金,且所述磁环的尺寸为:外周直径是2-4mm;内周直径是1mm-2mm;磁环的高度是2mm至3mm;所述第一双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数为10至20圈;所述第一双绞线和第二双绞线的每根单线的粗细为0.05mm至0.3mm。
9.如权利要求8所述的共模电感,其特征在于,所述磁环的尺寸为:外周直径=3.05mm;内周直径=1.78mm;磁环的高度=2.54mm;所述第一双绞线在所述磁芯上缠绕的圈数为13圈;所述第一双绞线和第二双绞线的每根单线的粗细为0.1mm。
10.一种网络摄像机,其特征在于,包括POE网口和网络变压器,在所述POE网口和网络变压器之间连接有共模电感,其中,所述共模电感是如权利要求1-9中任一项所述的共模电感,其中,第一双绞线用于传递RX+/-信号;第二双绞线用于传递TX+/-信号,所述RX+/-信号和所述TX+/-信号之间具有设定的直流压差。
11.如权利要求10所述的网络摄像机,其特征在于,所述POE网口为千兆网口,且所述共模电感的数量为两个。
12.如权利要求10或11所述的网络摄像机,其特征在于,所述共模电感与所述网络变压器布置在同一块PCB板上。
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