CN111555622A - 一种应用于工业现场的有源以太网受电端 - Google Patents

一种应用于工业现场的有源以太网受电端 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种结构简单、性能稳定且功率大的应用于工业现场的有源以太网受电端。本发明包括网络隔离变压器（1）、桥接电路（2），用于接收所述桥接电路（2）的输出，并对接收到的功率电源信号进行处理的PD受电端部分（3），以及用于连接所述PD受电端部分（3）和后端的受电产品，且使所述网络隔离变压器（1）输出的功率电源信号和向受电产品供应的功率电源信号相分离的隔离变压器部分（4），所述桥接电路（2）包括桥驱动器（21）和连接桥（22），所述桥驱动器（21）的输入端与所述网络隔离变压器（1）的电源输出端相连接，所述桥驱动器（21）的输出端与所述连接桥（22）的输入端相连接。本发明可应用于电源领域。

Description

一种应用于工业现场的有源以太网受电端
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种应用于工业现场的有源以太网受电端。
背景技术
随着网络、语音传输、网络视频监控等业务的飞速发展，大量基于IP（InternetProtocol网际互联协议）的终端出现在我们生活中，这些设备通常数量众多，但有时位置特殊，数据/电源线布线复杂，设备取电困难。部署起来需要消耗大量人力物力，增加建网成本，拖延建网时间。
为此，出现了基于网线的供电方式POE（Power Over Ethernet 有源以太网）。基于POE的供电能够简化布线，节约成本，尤其是在难以部署交流市电的情况下，POE供电使其不再需要昂贵的电源和安装电源所耗费的时间，节省了物料费用和安装时间。并且简化其可管理性。另外，POE供电安全可靠，POE供电端只有在连接了需要供电的设备，且设备符合相关的标准，以太网电缆才会有电压存在。因而消除了线路上漏电的风险。用户可以安全地在网络上混用普通网络设备和POE设备，这些设备能够与现有以外网电缆共存。
POE在IP的终端被广泛应用，如IP电话机、无线局域网接入点、网络摄像机等。工业现场对于POE的应用也越来越重视。但目前市面上多采用供电与通讯分别布线，产生很多额外成本，且多数POE设备的输出功率仅仅是支持13W或者25W的，其输出功率小，稳定性差，兼容性一般。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能稳定且功率大的应用于工业现场的有源以太网受电端。
本发明所采用的技术方案是：本发明包括用于接入有源网络信号并将有源网络信号分离出功率电源信号和数据传输信号的网络隔离变压器，
用于接收所述网络隔离变压器输出的功率电源信号，并兼容任意网络线对供电方式的桥接电路，
用于接收所述桥接电路的输出，并对接收到的功率电源信号进行处理的PD受电端部分，以及
用于连接所述PD受电端部分和后端的受电产品，且使所述网络隔离变压器输出的功率电源信号和向受电产品供应的功率电源信号相分离的隔离变压器部分，
所述桥接电路包括桥驱动器和连接桥，所述桥驱动器的输入端与所述网络隔离变压器的电源输出端相连接，所述桥驱动器的输出端与所述连接桥的输入端相连接。
进一步地，所述连接桥由八个MOS管桥接而成，每两个所述MOS管串接后再并接，任意一组串接的两个所述MOS管中，其中一个所述MOS管的栅极与所述桥驱动器的高电平引脚相连接，另一个所述MOS管的栅极与所述桥驱动器的低电平引脚相连接。
更进一步地，所述MOS管为N沟道MOS管。
此外，所述连接桥的输出端还设置有共模电感。
进一步地，所述PD受电端部分包括PD受电端芯片和第九MOS管，所述桥接电路的输出端通过所述第九MOS管与所述PD受电端芯片相连接，所述第九MOS管的源极通过一设置的第二电感向外输出直流电压，在所述PD受电端芯片上还设有功率配置电路和电流检测电路，所述功率配置电路包括并联在所述PD受电端芯片上的第二十三电阻和第25电阻，所述电流检测电路包括并接在所述PD受电端芯片上的第二十电阻，所述第二十电阻的一端接地。
再进一步地，在所述第九MOS管的输出端与所述PD受电端芯片之间设置有降压电路为所述PD受电端芯片供电，所述降压电路包括依次连接的第十三极管、第四二极管、第三电感和第十七电容。
在所述桥接电路的输出端与所述PD受电设备之间还设置有滤波保护模块，所述滤波保护模块包括第十四电阻和第二十电容，所述第二十电容的一端接地。
所述隔离变压器部分包括主变压器和次变压器，所述主变压器的原边的一侧与所述第二电感输出端相连接，所述主变压器的原边的另一侧通过一设置的第十二MOS管与所述PD受电端芯片的PG引脚相连接，所述次变压器的原边的一侧与所述PD受电端芯片的SG引脚相连接，所述次变压器的原边的另一侧接地，所述主变压器的副边通过一设置的第十一MOS管与所述次变压器的副边相连接。
所述PD受电端芯片上还连接有驱动延时电阻和驱动震荡频率电阻，所述驱动延时电阻和所述驱动震荡频率电阻的另一端均接地。
最后，所述网络隔离变压器的隔离前端引出有电源线与所述桥接电路的输入端相连接。
本发明的有益效果是：本发明中，利用网络隔离变压器接入有源网络信号并将有源网络信号分离出功率电源信号和数据传输信号，而桥接电路接收网络隔离变压器输出的功率电源信号，并能够兼容任意网络线对供电方式（无论是中间跨接法或者是末端跨接法），PD受电端部分则接收所述桥接电路的输出，并对接收到的功率电源信号进行滤波、降压、限流等处理，以便满足后续受电产品的需求，且提供的电压稳定，保证了整个受电端供能的稳定性；隔离变压器部分连接所述PD受电端部分和后端的受电产品，且使所述网络隔离变压器输出的功率电源信号和向受电产品供应的功率电源信号相分离，这保证了受电端供能的可靠性和安全性，进一步提升了受电端的稳定性；此外，由于桥接电路采用桥驱动器和连接桥的组合方式来实现功率电源输出，其中的桥驱动器能够增加输出功率，从而大幅提升整个受电端的输出功率。
附图说明
图1是本发明中的网络隔离变压器与桥接电路部分的简易结构框图；
图2是本发明中的PD受电端部分和隔离变压器部分的简易结构框图；
图3是所述网络隔离变压器的部分电路原理图；
图4是所述桥驱动器的简易电路原理图；
图5是所述连接桥的简易电路原理图；
图6是所述PD受电端部分和隔离变压器部分的电路原理图；
图7是本发明受电端的原边和副边之间的驱动信号延时的示波器波形示意图；
图8是本发明受电端的原边和副边的驱动信号的震荡频率比较的示波器波形示意图；
本发明的术语解析如下：
POE：Power Over Ethernet 有源以太网
PD：Power Device 受电端设备
IP：Internet Protocol网际互连协议
MOS：MOSFET 场效应管。
具体实施方式
如图1至图8所示，本发明包括用于接入有源网络信号并将有源网络信号分离出功率电源信号和数据传输信号的网络隔离变压器1，
用于接收所述网络隔离变压器1输出的功率电源信号，并兼容任意网络线对供电方式的桥接电路2，用于接收所述桥接电路2的输出，并对接收到的功率电源信号进行处理的PD受电端部分3，以及用于连接所述PD受电端部分3和后端的受电产品，且使所述网络隔离变压器1输出的功率电源信号和向受电产品供应的功率电源信号相分离的隔离变压器部分4。所述桥接电路2包括桥驱动器21和连接桥22，所述桥驱动器21的输入端与所述网络隔离变压器1的电源输出端相连接，所述桥驱动器21的输出端与所述连接桥22的输入端相连接。
所述连接桥22由八个MOS管（Q1～Q8）桥接而成，在本实施例中，所述MOS管为N沟道MOS管。每两个所述MOS管串接后再并接，任意一组串接的两个所述MOS管中，其中一个所述MOS管的栅极与所述桥驱动器21的高电平引脚相连接，另一个所述MOS管的栅极与所述桥驱动器21的低电平引脚相连接。具体地，两个串接的MOS管中，如第一MOS管Q1的栅极与桥驱动器21的高电平引脚H1相连接，第五MOS管Q5的栅极与桥驱动器21的低电平引脚L1相连接。第一MOS管Q1的源极与第五MOS管Q5的漏极相连接。其它MOS管同理。最后是第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的漏极连接在一起再连接所述共模电感L4的原边输出，第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8的源极连接在一起再连接所述共模电感L4的副边输出。第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的栅极分别连接所述桥驱动器21的高电平引脚H2-H4；第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8的栅极分别连接所述桥驱动器21的低电平引脚L2-L4。
在这里，桥驱动器选择凌力尔特公司的LT4321，N沟道MOS管选择NXP公司的PSMN040， LT4321是一个双理想二极管桥控制器，它使以太网供电供电的设备（PD）能够从网络的数据对、备用对或两者接收电压极性的电力，从而兼容了中间跨接法和末端跨接法。LT4321和八个N沟道MOSFET取代了无源POE整流器桥中的八个二极管。LT4321简化了散热设计并增加了输出功率，内部电荷泵允许全N沟道MOS桥接，从而消除了更大，更昂贵的P沟道MOS开关。
另外，LT4321本身的输入引脚为高阻抗输入，这样可以防止往未使用的信号对倒灌电流。此外，其内部自带了一个故障和短路检测模块，当故障或者短路发生时，一个快速响应的关断将会发生，这样可以使得反向电流或者短路电流发生的时间尽可能的短，值就越小。这是LT4321内部自带的功能，在电路上并未体现。
所述PD受电端部分3包括PD受电端芯片31和第九MOS管Q9，所述桥接电路2的输出端通过所述第九MOS管Q9与所述PD受电端芯片31相连接，所述第九MOS管Q9的源极通过一设置的第二电感L2向外输出直流电压，在所述PD受电端芯片31上还设有功率配置电路和电流检测电路，所述功率配置电路包括并联在所述PD受电端芯片31上的第二十三电阻R23和第二十五电阻R25，所述电流检测电路包括并接在所述PD受电端芯片31上的第二十电阻R20，所述第二十电阻R20的一端接地。在所述第九MOS管Q9的输出端与所述PD受电端芯片31之间设置有降压电路为所述PD受电端芯片31供电，所述降压电路包括依次连接的第十三极管Q10、第四二极管D4、第三电感L3和第十七电容C17。
PD受电端芯片选择ADI公司的LT4295，前端桥输出的直流电压经过一个由PD受电端控制的第九MOS管Q9，输入到主隔离变压器的原边。直流电压经过降压电路输入到PD受电端给其供电。第二十三电阻R23和第二十五电阻R25配置PD受电端的输出功率，通过反馈电压检测变压器的工作状态。第二十电阻R20检测电路中的电流，实现过流保护功能，第二十电阻R20在印刷电路板布局时应该尽可能的靠近PD受电芯片，避免引入纹波噪声，必要时可以添加设计滤波电路。
在所述桥接电路2的输出端与所述PD受电设备之间还设置有滤波保护模块，所述滤波保护模块包括第十四电阻R14和第二十电容C20，所述第二十电容C20的一端接地。
所述隔离变压器部分4包括主变压器T2和次变压器T3，所述主变压器T2的原边的一侧与所述第二电感L2输出端相连接，所述主变压器T2的原边的另一侧通过一设置的第十二MOS管Q12与所述PD受电端芯片31的PG引脚相连接，所述次变压器T3的原边的一侧与所述PD受电端芯片31的SG引脚相连接，所述次变压器T3的原边的另一侧接地，所述主变压器T2的副边通过一设置的第十一MOS管Q11与所述次变压器T3的副边相连接。
PD受电端的PG和SG引脚控制主变压器T2和次变压器T3的原边震荡，次变压器T3的副边控制主变压器T2的副边震荡，从而实现了前端POE供电和后端功能模块电源的完全隔离。
所述PD受电端芯片31上还连接有驱动延时电阻R16和驱动震荡频率电阻R27，所述驱动延时电阻R16和所述驱动震荡频率电阻R27的另一端均接地。驱动延时电阻R16决定了PD受电端原边和副边驱动信号的延时，本发明中驱动延时电阻R16选择5.23K，延时计算为：
Tdelay=2.69ns/kΩ*5.23kΩ+30ns=44ns。
如图7示出了实际测试中的示波器波形图，实测Tdelay时间为46ns。
驱动震荡频率电阻R27决定了PD受电端原边和副边驱动信号的震荡频率，本发明中，驱动震荡频率电阻R27选择107k，频率计算为：
f = 3900kΩ kHz/107kΩ+214kHz=250kHz。
如图8示出了实际测试中的示波器波形图，实测频率为251k Hz。
直流电压经过主变压器后，经过滤波输出需要的直流电源电压，主变压器的匝数比和PD输出的占空比决定了后端输出的直流电压值，所以根据需要的直流电压以及功率选择合适的变压器。
所述网络隔离变压器1的隔离前端引出有电源线（POE CT12、POE CT36、POE CT45、POE CT78）与所述桥接电路2的输入端相连接。在本实施例中，所述网络隔离变压器1选自型号为伍尔特生产的749022016的网络隔离变压器。
网络隔离变压器，它的主要作用是：第一是传输数据，它把网络物理层送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；第二是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。第三是把功率电源信号和数据传输信号通过变压器分离，功率电源信号在前端引入到后端电源电路，信号通过变压器耦合到后端网络物理层。除此以外，网络隔离变压器还有一定的防雷能力。
本发明为POE在工业现场的应用提供一种稳定，功率大的供电方案。本发明适用于各种基于IP传输数据信号同时为该设备提供直流电压的测试模块(系统)、通讯模块以及各种数据采集模块等。本发明能够兼容中间跨接法和末端跨接法,兼容IEEE802.3af标准的供电电压44～57V和IEEE802.3at标准的供电电压50～57V。而目前市面上的POE的功率通常都是支持13W或者25W，本发明能够支持输出71W。

Claims (10)

1.一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：该有源以太网受电端包括
用于接入有源网络信号并将有源网络信号分离出功率电源信号和数据传输信号的网络隔离变压器（1），
用于接收所述网络隔离变压器（1）输出的功率电源信号，并兼容任意网络线对供电方式的桥接电路（2），
用于接收所述桥接电路（2）的输出，并对接收到的功率电源信号进行处理的PD受电端部分（3），以及
用于连接所述PD受电端部分（3）和后端的受电产品，且使所述网络隔离变压器（1）输出的功率电源信号和向受电产品供应的功率电源信号相分离的隔离变压器部分（4），
所述桥接电路（2）包括桥驱动器（21）和连接桥（22），所述桥驱动器（21）的输入端与所述网络隔离变压器（1）的电源输出端相连接，所述桥驱动器（21）的输出端与所述连接桥（22）的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述连接桥（22）由八个MOS管桥接而成，每两个所述MOS管串接后再并接，任意一组串接的两个所述MOS管中，其中一个所述MOS管的栅极与所述桥驱动器（21）的高电平引脚相连接，另一个所述MOS管的栅极与所述桥驱动器（21）的低电平引脚相连接。
3.根据权利要求2所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述MOS管为N沟道MOS管。
4.根据权利要求2所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述连接桥（22）的输出端还设置有共模电感（L4）。
5.根据权利要求1所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述PD受电端部分（3）包括PD受电端芯片（31）和第九MOS管（Q9），所述桥接电路（2）的输出端通过所述第九MOS管（Q9）与所述PD受电端芯片（31）相连接，所述第九MOS管（Q9）的源极通过一设置的第二电感（L2）向外输出直流电压，在所述PD受电端芯片（31）上还设有功率配置电路和电流检测电路，所述功率配置电路包括并联在所述PD受电端芯片（31）上的第二十三电阻（R23）和第25电阻（R25），所述电流检测电路包括并接在所述PD受电端芯片（31）上的第二十电阻（R20），所述第二十电阻（R20）的一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：在所述第九MOS管（Q9）的输出端与所述PD受电端芯片（31）之间设置有降压电路为所述PD受电端芯片（31）供电，所述降压电路包括依次连接的第十三极管（Q10）、第四二极管（D4）、第三电感（L3）和第十七电容（C17）。
7.根据权利要求5所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：在所述桥接电路（2）的输出端与所述PD受电设备之间还设置有滤波保护模块，所述滤波保护模块包括第十四电阻（R14）和第二十电容（C20），所述第二十电容（C20）的一端接地。
8.根据权利要求5所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述隔离变压器部分（4）包括主变压器（T2）和次变压器（T3），所述主变压器（T2）的原边的一侧与所述第二电感（L2）输出端相连接，所述主变压器（T2）的原边的另一侧通过一设置的第十二MOS管（Q12）与所述PD受电端芯片（31）的PG引脚相连接，所述次变压器（T3）的原边的一侧与所述PD受电端芯片（31）的SG引脚相连接，所述次变压器（T3）的原边的另一侧接地，所述主变压器（T2）的副边通过一设置的第十一MOS管（Q11）与所述次变压器（T3）的副边相连接。
9.根据权利要求8所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述PD受电端芯片（31）上还连接有驱动延时电阻（R16）和驱动震荡频率电阻（R27），所述驱动延时电阻（R16）和所述驱动震荡频率电阻（R27）的另一端均接地。
10.根据权利要求1所述的一种应用于工业现场的有源以太网受电端，其特征在于：所述网络隔离变压器（1）的隔离前端引出有电源线（POE CT12、POE CT36、POE CT45、POECT78）与所述桥接电路（2）的输入端相连接。
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