CN111478777A - 以太网供电受电装置自动维持电力特征 - Google Patents

以太网供电受电装置自动维持电力特征 Download PDF

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Abstract

本申请实施例涉及以太网供电受电装置自动维持电力特征。在以太网供电PoE系统的所描述实例中，受电装置PD(300)具有用以测量所述PD中的来自供电设备PSE(302、304)的负载电流的电路。电路将所述所测量负载电流与第一阈值进行比较。电路(U3)自动产生负载脉冲以发信号通知所述PSE应维持到所述PD的电力。

Description

以太网供电受电装置自动维持电力特征
本申请是申请日为2015年09月29日，申请号为“201580043564.6”，而发明名称为“以太网供电受电装置自动维持电力特征”的申请的分案申请。
技术领域
本发明一般来说涉及以太网供电(PoE)，且更特定来说，涉及睡眠模式中的维持电力特征(MPS)操作。
背景技术
以太网供电是允许电力连同数据一起沿以太网电缆传递的系统。此准许单个以太网电缆(例如类别5或类别6电缆)给装置(例如无线接入点、IP相机及IP电话)提供数据连接及电力两者而无需运行单独电力及数据电缆。此在安装新系统时或在需要对现有系统做出改变时可节省相当大的成本，这是因为其消除对电工在安装系统时安装局部AC电力点或在网络上的装置被移动且不再接近电源插座时移动AC电力点的需要。
这些系统通常受IEEE标准(例如IEEE标准802.3或当前版本IEEE Std 802.3-2012)制约。较新系统中可用的较高电力量已导致其用于备用电源(其必须总是起作用的)及LED照明系统(其中即使简单地关断灯，仍必须维持一些至关重要的功能性)。IEEE标准要求在电流消耗降至低于预定限制(例如5mA或10mA)的情况下移除从PSE到PD的电力。为维持到PD的电力，PD可提供维持电力特征(MPS)，MPS是使PSE确保PD仍需要电力的电特征。有效MPS由以下各项组成：最小DC电流，例如10mA或每325ms递送至少一次的持续至少75ms的10mA脉冲；及与0.05μF并联的低于26.3KΩ的AC阻抗。并且，新IEEE标准802.3bt将很可能使用相同技术，但利用不同电流电平及时序值。并且，802.3bt将可能移除AC阻抗要求。
当前系统使由PD汲取的电力维持高于最小值或需要来自外部源的激活信号来提供电流脉冲以满足MPS要求。
发明内容
在所描述实例中，以太网供电(PoE)系统包含受电装置(PD)，所述PD具有PD接口电路，所述PD接口电路包含用以测量所述PD中的来自供电设备(PSE)的负载电流的电路。电路将所测量负载电流与第一阈值进行比较。电路(响应于所述用以比较的电路)自动产生负载脉冲以发信号通知所述PSE应维持到所述PD的电力。
在至少一个实例中，在以太网供电(PoE)系统中，用于受电装置(PD)的接口电路可耦合到供电设备(PSE)，所述接口电路具有：比较器，其耦合到第一电阻器，电流在所述PSE连接到所述PD内的负载时从所述PSE流动穿过所述第一电阻器，所述比较器测量跨越所述第一电阻器的电压降以确定负载电流且产生表示所述负载电流的输出信号。时序逻辑响应于所述输出信号而产生开关控制信号及启用信号。开关响应于开关控制信号中的一者而将第二电阻器插入于所述第一电阻器的电流路径中以产生更准确电流脉冲，从而满足MPS要求。误差放大器耦合到所述电流路径且响应于所述启用信号而自动产生具有充足量值的负载脉冲，所述负载脉冲连同由所述PD汲取的负载电流一起以信号形式通知所述PSE应维持到所述PD的电力。
在至少一个实例中，以太网供电(PoE)系统的受电装置(PD)具有比较器，所述比较器测量所述PD中的负载电流且将所述负载电流与参考进行比较并产生输出信号。时序逻辑电路响应于所述输出信号而产生启用信号。误差放大器响应于所述启用信号而基于参考产生输出电压。耦合到所述误差放大器的输出的电阻器在耦合到供电设备(PSE)时汲取电流脉冲以自动发信号通知所述PSE应维持到所述PD的电力。
在用于操作以太网供电(PoE)受电装置(PD)的方法的至少一个实例中，所述PD具有LED一般照明负载，所述方法检测低于预定限制的负载电流。自动产生维持电力特征(MPS)脉冲以发信号通知给所述PD供电的供电设备(PSE)应维持到所述PD的电力。
附图说明
图1(现有技术)是常规系统的图式。
图2是在I_in太低的情况下自动产生的MPS脉冲的图式。
图3是根据实例性实施例的系统的示意性框图。
图4是第一实施例的示意性图式。
图5是第二实施例的示意性图式。
图6展示PD的LED负载。
具体实施方式
在所描述实例中，PD内的电路自动确定对MPS信号的需要而不需要外部产生的信号，且提供MPS脉冲以维持到PD的电力同时最小化所消耗电力。
图1展示常规系统100。电力从PSE流动穿过PD前端102到达PD系统104及电容器110(其为负载(未展示)的一部分)。流动到负载的电力由PoE热交换开关108控制。如果负载电流小于维持从PSE到PD的电力所需的电流，那么外部电路(未展示)产生供应到电路106的MPS信号以致使电路106在从PSE的输入线上产生维持电力电流脉冲。外部产生的脉冲可由微处理器产生，所述微处理器位于与PD接口电路(PD前端电路102)分开的集成电路中，因此需要额外集成电路。此给最终用户增加成本，且其增加复杂性，这是因为最终用户现在必须以最小化由测量装置(例如电阻性分流器)消耗的电力的方式提供测量电力消耗且产生MPS信号的电路。一种常规技术在用户按压使IP电话睡眠的按钮时从应用电路接收信号。产生MPS脉冲直到其接收到同样从用户按压按钮产生的唤醒信号为止。
图2展示到PD的输入电流的波形200。在图2中，当电流I_in 202降至低于维持到PD的电力所需的值时，根据实例性实施例的各方面自动产生具有某一量值、持续时间及脉冲频率的MPS脉冲，如204处所展示。
图3是PD内的系统300的示意性框图。在图3中，框306含有在图4及5中更详细地展示的电路。PD沿着以太网电缆内的四对电线中的两对或四对电线(标记为302及304)从PSE接收电力。电容器及齐纳二极管对抗电压尖峰。在起动时，PSE寻找电阻器Rdet，电阻器Rdet用于确定是否检测到有效电阻(由IEEE标准定义)，所述有效电阻指示PD正请求来自PSE的电力。PSE接着增加电压且确定通过电阻器Rcls汲取的电流量，所述电流量确定如由IEEE标准所定义应提供多少电力。在将输入电压增加到操作电压之后，通过以受控方式将RTN拉到Vss而接通DC到DC转换器308以控制涌入电流，如同所有热交换装置。接着，允许电流达到其全电流限制。在端子PG处提供“电力良好”信号。DC/DC转换器308(图3)可并非PD接口电路的一部分，而是用于将受控电压提供到负载。举例来说，此负载可为LED照明器件。电容器Cbulk在起动期间由DC到DC转换器使用且用于使去往转换器的电压VDD输入保持稳定。
图4展示电路400(其在图3中展示为306，但电路306可具有未展示的其它功能)的实施例。图4具有电流限制放大器U1，电流限制放大器U1的非反相输入耦合到电流限制参考(未展示)且其反相输入耦合到FET晶体管Q1与感测电阻器Rsense之间的节点。晶体管Q1的另一端子连接到返回电压RTN，且感测电阻器的另一端子连接到VSS。来自PD的负载的电流流动穿过RTN到达VSS，从而产生跨越用于测量负载电流的Rsense的电压降。如果跨越电阻器的电压超过预定参考(电流限制参考)，那么使用晶体管Q1限制负载电流。
晶体管Q1与电阻器Rsense之间的节点还耦合到比较器U2的非反相输入。比较器U2的反相输入耦合到自动MPS参考(未展示)。如果跨越电阻器Rsense的电压降至低于自动MPS参考，那么比较器U2向时序逻辑406提供信号，时序逻辑406又将启用信号提供到放大器U3。放大器U3的非反相输入耦合到MPS电流参考(未展示)且其反相输入耦合到晶体管Q3与电阻器Rext之间的节点。晶体管Q3的另一端子连接到VDD，且电阻器Rext的另一端子连接到VSS。振荡器OSC1 402产生信号，所述信号由MPS脉冲产生器404转换为脉冲以控制时序逻辑406产生使PSE维持到PD的电力所需的MPS特征脉冲。这些脉冲控制放大器U3在晶体管与外部电阻器Rext之间的节点处产生电压。外部电阻器的值确定通过电阻器Rext从VDD汲取到VSS的电流量以将MPS信号提供到PSE。电阻器Rext可在集成电路(例如306)外部，且因此可由最终用户用于确定针对所述特定应用维持到PD的电力所需要的电流量。
图5展示电路500(其在图3中展示为306，但电路306可具有未展示的其它功能)的另一实施例。在图5中，晶体管Q1耦合于返回线RTN与电阻器R1之间，电阻器R1的另一端子连接到VSS。开关S1连接晶体管Q1的栅极与误差放大器U1的输出。误差放大器U1的非反相端子耦合到电流限制参考(未展示)且其反相输入耦合到晶体管Q1与电阻器R1之间的节点。误差放大器U1测量跨越电阻器R1的电压以确定电流是否超过最大电流限制且将电流调节到所述最大限制。晶体管Q2耦合于信号线RTN与电阻器R2之间，电阻器R2的另一端子耦合到晶体管Q1与电阻器R1之间的节点。所述节点还连接到比较器U2的非反相输入，比较器U2的反相输入连接到自动MPS参考(未展示)。开关S2耦合于误差放大器U1的输出与晶体管Q2的栅极之间。开关S4耦合于晶体管Q2的栅极与VSS之间。晶体管Q3连接于电压VDD和晶体管Q2与电阻器R2之间的节点之间。晶体管Q3的栅极连接到误差放大器U3的输出，误差放大器U3的非反相输入连接到MPS参考(未展示)且其反相输入耦合到晶体管Q2与电阻器R2之间的节点。
比较器U2的输出耦合到时序逻辑506，时序逻辑506具有针对开关S1到S4中的每一者的输出及耦合到误差放大器U3的启用输入的启用输出。振荡器OSC1 502产生信号，所述信号由MPS脉冲产生器504转换为脉冲，所述脉冲被施加到时序逻辑506。所述时序逻辑使用时钟来产生针对开关S1到S4及针对由误差放大器U3及晶体管Q3产生的脉冲的控制信号。
在正常操作中，开关S1及S4闭合且开关S3及S2断开。在低电力操作中，开关S2及S3闭合且开关S1及S4断开，因此误差放大器U1的电流限制动作在作用中，这是因为必须总是提供电流限制。在正常操作中，开关S4通常闭合以维持晶体管Q2关断，且开关S1闭合以允许U1控制穿过Q1的电流。开关S2及S3此时断开。来自负载的所有电流返回到RTN节点且通过晶体管Q1及电阻器R1。跨越电阻器R1的电压用于测量穿过负载的电流且被施加到误差放大器U1的反相输入。电流限制参考被施加到误差放大器U1的非反相输入。此电流测量用于在电流超过预定阈值的情况下限制电流。还将跨越电阻器R1的电压与施加到比较器U2的反相输入的自动MPS参考进行比较，比较器U2的输出用于控制时序逻辑控制开关S1到S4。如果穿过电阻器R1的电流降至低于预定阈值，那么通过由时序逻辑506产生的信号将开关S1及S4断开且将开关S2及S3闭合。此关断晶体管Q1且接通晶体管Q2。因此，从PD负载穿过RTN节点返回的电流通过晶体管Q2、通过电阻器R2且接着通过电阻器R1到达VSS。
为最小化电力耗散，使电阻器R1的值保持尽可能低。然而，在低电流下，此在U2用于将负载电流与阈值(自动MPS参考)进行比较时由于比较器U2的任何偏移电压而产生大误差。举例来说，在R1具有25mΩ的值的情况下，比较器U2中的1mV偏移可形成40mA的测量误差。维持从PSE到PD的电力所需要的正常电流相当低(仅10mA到15mA)，因此此情况可为显著误差。在图5的电路中，在确定电流太低而不能维持从PSE到PD的电力时，将第二电阻器R2切换到电路中。举例来说，此电阻器可为5Ω。此电阻器连同串联的电阻器R1一起由U3用于产生任何所需要MPS电流。此大得多的电阻允许U3对MPS电流的控制准确得多，从而仅产生所需要的额外电流。举例来说，在放大器U3中具有1mV偏移的情况下，误差将仅为200μA。因此，此电路准许在正常操作期间利用低电阻分流器来最小化分流器电阻器中的电力损耗，且接着添加较高电阻以产生维持从PSE到PD的电力流所需要的更准确电流脉冲，因此节省电力。
如果需要MPS脉冲，那么时序逻辑506启用误差放大器U3的启用输入以经由包含R2及R1的电阻器链的顶部处的晶体管Q3产生电压，所述电压确定需要通过电路以便使供应到VDD的脉冲满足或超过MPS特征的要求的额外电流量，使得PSE将继续将电力提供到PD。负载电流还流动穿过R1及R2，且因此其包含于由U3产生的电流中，因此仅产生满足MPS要求所需要的额外电流。
图6展示DC/DC转换器(例如图3的DC/DC转换器308)的一种类型的负载600。如图6中所展示，所述负载包含将从转换器的Vout端子连接到接地(举例来说)的多个LED，例如602a、602b...602n。所述串中的LED的数目为设计选择。举例来说，所述LED可提供一般房间照明，同时指示电力被供应到例如PD自身的装置。其它电路可提供额外功能性(例如确定(通过运动检测器)对区域的占用)且还可作为负载的一部分连接。
修改在所描述实施例中为可能的，且其它实施例在权利要求书的范围内为可能的。

Claims (20)

1.一种在以太网供电PoE系统中使用的受电装置PD，所述PD装置包括：
第一电压供电端子及第二电压供电端子，其连接到所述PoE系统；
返回端子，其与负载相关联；
检测电路，其耦合在所述返回端子及所述第二电压供电端子之间，且经配置以在检测到所述返回端子及所述第二电压供电端子之间的负载电流小于第一维持电力特征MPS参考阈值时产生MPS启用信号；以及
MPS产生电路，其耦合到所述检测电路，且经配置以在接收到所述MPS启用信号时产生MPS脉冲，所述MPS产生电路经配置以基于第二MPS参考阈值来调节所述MPS脉冲的幅度。
2.根据权利要求1所述的PD装置，其中：
所述第一电压供电端子经配置以从所述PoE系统的供电设备PSE接收第一电压VDD；
所述第二电压供电端子经配置以从所述PoE系统的所述PSE接收第二电压VSS；并且
所述返回端子经配置以从所述负载接收地电压。
3.根据权利要求1所述的PD装置，其中：
所述第一MPS参考阈值包括符合IEEE 802.3-2012及IEEE 802.3bt的自动MPSAutoMPS；并且
所述第二MPS参考阈值包括符合IEEE 802.3-2012及IEEE 802.3bt的MPS电流参考电压。
4.根据权利要求1所述的PD装置，其中所述第二MPS参考阈值大于所述第一MPS参考阈值。
5.根据权利要求1所述的PD装置，其中所述检测电路包括：
放大器级，其耦合在所述返回端子及所述第二电压供电端子之间，且具有经配置以产生表示所述负载电流的感测电压的感测节点；以及
比较器，其具有耦合到所述感测节点的非反相输入，经耦合以接收所述第一MPS参考阈值的反相输入，以及经配置以传递所述MPS启用信号的输出。
6.根据权利要求5所述的PD装置，其中所述放大器级包括：
晶体管，其耦合在所述返回端子及所述感测节点之间；以及
电阻器，其耦合在所述感测节点及所述第二电压供电端子之间。
7.根据权利要求6所述的PD装置，其中所述放大器级包括：
误差放大器，其具有经耦合以接收电流限制参考的非反相输入，耦合到所述感测节点的反相输入，以及耦合到所述晶体管的栅极端子的输出。
8.根据权利要求5所述的PD装置，其中所述MPS产生电路包括：
晶体管，其耦合在所述第一电压供电端子及经配置以输出所述MPS脉冲的MPS节点之间；
电阻器，其耦合在所述MPS节点及所述第二电压供电端子之间；以及
放大器，其具有经耦合以接收所述第二MPS参考阈值的非反相输入，耦合到所述MPS节点的反相输入，以及耦合到所述晶体管的栅极端子的输出。
9.根据权利要求1所述的PD装置，其中所述检测电路包括：
第一级，其耦合在所述返回端子及所述第二电压供电端子之间，且经配置以在所述第一级被启用时在感测节点处产生表示所述负载电流的第一感测电压；
第二级，其耦合在所述返回端子及所述第二电压供电端子之间，且经配置以在所述第二级被启用时在所述感测节点处产生表示所述负载电流的第二感测电压；以及
时序逻辑，其经配置以在没有所述MPS启用信号时启用所述第一级并禁用所述第二级，且经配置以在产生所述MPS启用信号时禁用所述第一级并启用所述第二级。
10.根据权利要求9所述的PD装置，其中：
所述第一级包括耦合在所述返回端子及所述感测节点之间的第一晶体管，以及耦合在所述感测节点及所述第二电压供电端子之间的第一电阻器；以及
所述第二级包括耦合在所述返回端子及MPS节点之间的第二晶体管，以及耦合在所述MPS节点及所述感测节点之间的第二电阻器。
11.根据权利要求10所述的PD装置，其中所述检测电路包括：
误差放大器，其具有经耦合以接收电流限制参考的非反相输入，耦合到所述感测节点的反相输入，以及输出；
第一开关，其耦合在所述误差放大器的所述输出及所述第一晶体管的第一栅极之间，所述第一开关经配置以在没有所述MPS启用信号时由所述时序逻辑闭合；以及
第二开关，其耦合在所述误差放大器的所述输出及所述第二晶体管的第二栅极之间，所述第二开关经配置以在产生所述MPS启用信号时由所述时序逻辑闭合。
12.根据权利要求11所述的PD装置，其中所述检测电路包括：
第三开关，其耦合在所述第一晶体管的所述第一栅极及所述第二电压供电端子之间，所述第三开关经配置以在产生所述MPS启用信号时由所述时序逻辑闭合；以及
第四开关，其耦合在所述第二晶体管的所述第二栅极及所述感测节点之间，所述第四开关经配置以在没有所述MPS启用信号时由所述时序逻辑闭合。
13.根据权利要求10所述的PD装置，其中所述MPS产生电路包括：
第三晶体管，其耦合在所述第一电压供电端子及经配置以输出所述MPS脉冲的所述MPS节点之间；以及
放大器，其具有经耦合以接收所述第二MPS参考阈值的非反相输入，耦合到所述MPS节点的反相输入，以及耦合到所述第三晶体管的第三栅极的输出。
14.根据权利要求9所述的PD装置，其中所述检测电路包括：
比较器，其具有耦合到所述感测节点的非反相输入，经耦合以接收所述第一MPS参考阈值的反相输入，以及经配置以断言所述MPS启用信号的输出。
15.一种用于以太网供电PoE系统的受电装置PD中的集成电路IC，所述IC包括：
第一电压供电端子及第二电压供电端子，其与所述PoE系统相关联；
返回端子，其与负载相关联；
检测电路，其包括：
放大器级，其耦合在所述第二电压供电端子及所述返回端子之间，且具有经配置以产生表示所述返回端子及所述第二电压供电端子之间的负载电流的感测电压的感测节点；以及
比较器，其具有耦合到所述感测节点的非反相输入，经耦合以接收第一维持电力特征MPS参考阈值的反相输入，以及经配置以传递
MPS启用信号的输出；以及
MPS产生电路，其耦合到所述检测电路，且经配置以在接收到所述MPS启用信号后产生所述第一电压供应端子及所述第二电压供应端子之间的MPS脉冲，所述MPS产生电路经配置以基于第二MPS参考阈值来调节所述MPS脉冲的幅度。
16.根据权利要求15所述的IC，其中所述放大器级包括：
晶体管，其耦合在所述返回端子及所述感测节点之间；
电阻器，其耦合在所述感测节点及所述第二电压供电端子之间；以及
误差放大器，其具有经耦合以接收电流限制参考的非反相输入，耦合到所述感测节点的反相输入，以及耦合到所述晶体管的栅极端子的输出。
17.根据权利要求15所述的IC，其中所述MPS产生电路包括：
晶体管，其耦合在所述第一电压供电端子及经配置以输出所述MPS脉冲的MPS节点之间；
电阻器，其耦合在所述MPS节点及所述第二电压供电端子之间；以及
放大器，其具有经耦合以接收所述第二MPS参考阈值的非反相输入，耦合到所述MPS节点的反相输入，以及耦合到所述晶体管的栅极端子的输出。
18.一种用于以太网供电PoE系统的电力递送PD装置中的集成电路IC，所述IC包括：
第一电压供电端子及第二电压供电端子，其与所述PoE系统相关联；
返回端子，其与负载相关联；
第一级，其包括耦合在所述返回端子及感测节点之间的第一晶体管，以及耦合在所述感测节点及所述第二电压供电端子之间的第一电阻器；
第二级，其包括耦合在所述返回端子及维持电力特征MPS节点之间的第二晶体管，以及耦合在所述MPS节点及所述感测节点之间的第二电阻器；
比较器，其经配置以在所述感测节点处的感测电压小于第一MPS参考阈值时断言MPS启用信号，且其经配置以在所述感测电压大于所述第一MPS参考阈值时重置所述MPS启用信号；
时序逻辑，其经配置以在所述MPS启用信号被重置时启用所述第一级并禁用所述第二级，且经配置以在所述MPS启用信号被断言时禁用所述第一级并启用所述第二级；以及
MPS产生电路，其经配置以在接收到所述MPS启用信号时，在所述MPS节点处产生MPS脉冲，所述MPS产生电路经配置以基于第二MPS参考阈值来调节所述MPS脉冲的幅度。
19.根据权利要求18所述的IC，其进一步包括：
误差放大器，其具有经耦合以接收电流限制参考的非反相输入，耦合到所述感测节点的反相输入，以及输出；
第一开关，其耦合在所述误差放大器的所述输出及所述第一晶体管的第一栅极之间，所述第一开关经配置以在所述MPS启用信号被重置时由所述时序逻辑闭合；
第二开关，其耦合在所述误差放大器的所述输出及所述第二晶体管的第二栅极之间，所述第二开关经配置以在所述MPS启用信号被断言时由所述时序逻辑闭合；
第三开关，其耦合在所述第一晶体管的所述第一栅极及所述第二电压供电端子之间，所述第三开关经配置以在所述MPS启用信号被断言时由所述时序逻辑闭合；以及
第四开关，其耦合在所述第二晶体管的所述第二栅极及所述感测节点之间，所述第四开关经配置以在所述MPS启用信号被重置时由所述时序逻辑闭合。
20.根据权利要求18所述的IC，其中所述MPS产生电路包括：
第三晶体管，其耦合在所述第一电压供电端子及经配置以输出所述MPS脉冲的所述MPS节点之间；以及
放大器，其具有经耦合以接收所述第二MPS参考阈值的非反相输入，耦合到所述MPS节点的反相输入，以及耦合到所述第三晶体管的第三栅极的输出。
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