CN113508555A - 网络通信系统中的多相位脉冲电力 - Google Patents

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道格拉斯·保罗·阿杜尼
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Abstract

在一个实施例中，一种装置包括用于接收输入电力的输入电力接口，用于通过线缆向多个受电设备传输多个相位的DC(直流)脉冲电力并且在DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间期间验证线缆操作的电力控制系统，以及用于通过线缆向受电设备输送多个相位的DC脉冲电力以及数据的线缆接口。本文还公开了一种用于传输多相位脉冲电力的方法。

Description

网络通信系统中的多相位脉冲电力
相关申请声明
本申请要求2019年3月13日递交的标题为“MULTI-PHASE PULSE POWER”的美国临时申请No.62/817,813(代理人案卷号CISCP1376+)的优先权。这里通过引用将此临时申请的内容全部并入。
技术领域
本公开概括而言涉及通信网络，更具体而言涉及通信网络中的脉冲电力的输送。
背景技术
在诸如5G蜂窝增建和在每层楼上有多个非集中式路由器的连接建筑物之类的网络通信系统中，AC电网并不总是可用的，在开始时增建可能不符合成本效益，或者在一些位置(例如无线基站)是不实际的，并且在许多情况下可能是成本过高的。通信线缆上的传统PoE(以太网供电)基于IEEE 802.3bt被限制在大约90W(瓦)，并且不能为更高功率的通信系统提供足够的功率。
附图说明
图1A是根据一个实施例图示出多节点3相脉冲电力系统的示例的框图。
图1B是根据一个实施例图示出多节点2相脉冲电力系统的示例的框图。
图2A图示了在具有来自端点节点的恒定功率加载的情况下图1A所示的系统的3相脉冲电力电压和电流的示例。
图2B图示了在具有来自端点节点的恒定功率加载的情况下图1B所示的系统的2相脉冲电力电压和电流的示例。
图3根据一个实施例图示了具有用于多相脉冲电力的输送的2相2对线缆的电路的示例。
图4A图示了图3所示的电路的具有相移脉冲占空比和非连续电流的脉冲电流。
图4B图示了图3所示的电路的具有相移脉冲占空比和连续电流的脉冲电流。
图5根据一个实施例图示了具有用于多相脉冲电力的输送的2相3线线缆的电路的示例。
图6A图示了图5所示的电路的具有相移占空比和非连续电流的脉冲电流。
图6B图示了图5所示的电路的具有相移占空比和连续电流的脉冲电压和电流。
图7A根据一个实施例图示了具有用于多相脉冲电力的输送的3相3对线缆的电路的示例。
图7B图示了图7A所示的电路的具有67％负载占空比和连续电流的脉冲电压和电流。
图8A根据一个实施例图示了具有用于多相脉冲电力的输送的4相4对线缆的电路的示例。
图8B图示了图8A所示的电路的具有75％占空比和连续电流的脉冲电压和电流。
图9是根据一个实施例图示出具有用于数据和多相脉冲电力的输送的光纤和两个双绞线对的线缆的框图。
图10根据一个实施例图示了图9所示的双绞线对之一的细节。
图11根据一个实施例图示了到多个受电设备的多相脉冲电力和数据配送的示例。
图12是根据一个实施例图示出用于输送多相脉冲电力的过程的概述的流程图。
图13是描绘出在实现本文描述的实施例时有用的网络设备的示例的框图。
对应的附图标记在附图的若干视图中始终指示对应的部件。
具体实施方式
概述
在一个实施例中，一种装置一般包括用于接收输入电力的输入电力接口，用于通过线缆向多个受电设备传输多个相位的DC(直流)脉冲电力并且在DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间期间验证线缆操作的电力控制系统，以及用于通过线缆向受电设备输送多个相位的DC脉冲电力以及数据的线缆接口。本文还公开了一种用于传输多相位脉冲电力的方法。
在一个或多个实施例中，该线缆包括以50％或更大的占空比进行异相操作的至少两个线对。在另一个实施例中，该线缆包括至少三条线来用于至少三个相位的操作，并且其中，在相位之一丢失时，向受电设备输送连续的电力。在一个实施例中，三条线中的每一条都包括线对。
在一个或多个实施例中，该线缆还包括通信传输介质，用于装置和受电设备之间的双向通信。在一个实施例中，通信传输介质包括光纤。
在一个或多个实施例中，数据被通过脉冲电力线传输，并且提供与受电设备的同步。
在一个或多个实施例中，电力控制系统可操作来执行线缆感测以识别线缆上的故障。
在一个或多个实施例中，该装置向受电设备输送至少1000瓦的功率。
在一个或多个实施例中，以至少200伏的电压在线缆上传输DC脉冲电力。
在一个或多个实施例中，该装置被配置有中点接地，用于冲击保护。
在一个或多个实施例中，电力控制系统提供连续的电流，并且在多个相位的重叠期间，电流被共享。
在另一个实施例中，一种装置一般包括用于通过组合电力和数据线缆从电源设备接收多相位DC脉冲电力和数据的输入线缆接口，用于装置的故障隔离的隔离开关，以及用于将电力传输到端点节点的接口。多相位DC脉冲电力包括至少两个相位，以在端点节点处提供连续的DC电压，并且多相位DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间被用于验证线缆操作。
在另外一个实施例中，一种方法一般包括在电源设备处接收电力，在多条电线上分相传导DC(直流)脉冲电力以向多个受电设备提供连续的DC电压，通过线缆向受电设备传输多相位脉冲电力和数据，并且在脉冲电力关闭时间期间验证线缆操作。
通过参考说明书的其余部分和附图，可以实现对本文描述的实施例的特征和优点的进一步理解。
示例实施例
呈现以下描述来使得本领域普通技术人员能够做出和使用实施例。对具体实施例和应用的描述是仅作为示例提供的，并且对于本领域的技术人员来说各种修改都将是显而易见的。本文描述的一般原理可被应用于其他应用，而不脱离实施例的范围。从而，实施例不限于示出的那些，而是要符合与本文描述的原理和特征相符的最宽范围。为了清晰起见，没有详细描述与实施例相关的技术领域中已知的技术材料有关的细节。
在诸如5G蜂窝增建或其他通信系统和在每层楼上有多个非集中式路由器的连接建筑物之类的网络通信系统中，AC(交流)电网并不总是可用的，在开始时增建可能不符合成本效益，或者在一些位置(例如无线基站)是不实际的，并且在许多情况下可能是成本过高的。通信线缆上的传统PoE(以太网供电)基于IEEE 802.3bt被限制在大约90W(瓦)，并且不能为更高功率的通信系统提供足够的功率，这种更高功率的通信系统例如是操作起来通常需要300W到1000W之间的蜂窝网络中可见的远程无线电头端或者前传路由器。另外，为接入点和IP(互联网协议)电话系统提供交换、路由和电力的企业产品经常需要约1000W至1500W的功率。
需要一种手段来为这些和其他设备(例如，超过1000W，超过几百m(米)到超过1000米)输送电力，而不必添加AC插座或者其他类型的二次馈电。在被列为“合用场所”的地方，电力通常是被按连接收费的，而不是按消耗的电力收费的，这使得每一个额外的AC连接都非常昂贵。经常使用AC电网电力系统，因为DC(直流)电力系统不是长距离上的良好解决方案。
为了增大可用的功率，可以使用高电压脉冲(被称为脉冲电力或者脉冲式电力)。一种选项是使用脉冲电力技术在使用单对铜线(例如，14AWG(美国线规)、16AWG双绞线对或半双绞线对、或者其他适当的电线)的通信线缆上输送功率。然而，由于线缆中的高RMS(均方根)(有效)电流和系统的受电设备端所需要的极其笨重的滤波器组件，这种方法有很大的限制。这些限制影响了终端设备的尺寸和能够传输电力的距离，使得这种解决方案对于通信基础设施的小规模增建是不可行的。
单相脉冲电力系统可能很难满足一个或多个安全要求，因为通常需要2ms到4ms的关闭时间(电力脉冲之间的关闭时间)，以便在10ms的窗口内正确评估环境安全，但仍然维持合理的功率效率。其他的脉冲电力限制包括：脉冲电力需要关闭时间来实现安全的自动协商，并且实际的线缆电容和电感要求低脉冲重复率(例如，在大约10Hz(赫兹)或100Hz的量级)。这种低频率操作导致需要高值的滤波器组件，以产生所需要的DC输出电压，从而产生平滑的DC系统电压。这些电感器和电容器滤波器组件在物理上是很大的(笨重和昂贵)。长的或者高电容的线缆导致更低的频率或者低占空比的操作，导致需要更大的滤波器组件。低占空比需要更高的脉冲电流和/或电压，产生了更高的RMS电流和更高的线缆损耗，降低了效率。这也增大了辐射EMI(电磁干扰)/EMC(电磁兼容)噪声场和发射。低占空比操作会产生高功率损耗和高传输线RMS电流，从而限制了传输距离。
本文描述的实施例通过使用多相位(多相)脉冲电力来克服上述限制，以实现更少的损耗，有效地将100％占空比的电力输送到受电设备(例如，以重叠相位脉冲向输出端提供连续不间断的电力)，同时增强每个电力连接的可靠性，并且在延长的线缆长度上提供安全操作以输送高功率。一个或多个实施例使用多对线缆，在每对上放置一DC脉冲，其定时方式使得在受电设备(或负载)处提供100％净占空比的连续电力。例如，脉冲电力传输可通过线缆、传输线、母线、背板、PCB(印刷电路板)、以及配电系统。
在一个或多个实施例中，单导体对线缆被替换为具有两对电力线、母线、电力平面或者线缆接线对的2相脉冲电力传输系统线缆。一个或多个实施例包括具有3线、母线、电力平面或者线缆线三件套的2相脉冲电力传输系统线缆。多相(三相或更多相)操作可进一步减小每相的RMS电流，并且有效地提供连续的DC电压，而不需要笨重的滤波器组件。在一个或多个实施例中，到输出和分割地(例如，中点高阻地)的高占空比或者实际上100％的占空比可提供更高的效率，具有更低的RMS电流线缆损耗，允许快速且有效的相对地故障检测，允许从有限的线缆电压额定获得更高的电压和功率给负载，并且实现共模系统(单独的接地连接)，具有更低的峰值电流，以降低EMI/EMC噪声辐射和易受影响场。
在一个或多个实施例中，多相位方法允许了在10ms的窗口中有相当长的关闭时间，例如，为了验证线缆是否有短路、开路、未报告的功率损耗(例如，低电流短路)、或者人或动物的附加电阻。这种延长的关闭时间使安全性得到了显著提高。多相脉冲电力还允许了使用更低的源电压来满足100％的受电设备要求。如前所述，在单相系统中，需要用笨重的滤波器来过滤掉关闭时间，并且即使如此，在高负载的情况下，功率效率/效能约为80％。在更高的占空比和更高的效率下使用多个相位，提供了显著的组件优势，并且也可提供更多的电力输送和可靠性。例如，三相或更多相系统中单相的损耗并不影响受电设备处的100％连续占空比功率效能。如下所述，源发相前端电路的损耗可能不会影响有冗余电源的操作。
在一个或多个实施例中，PSE(Power Sourcing Equipment，电源设备)可在电力和数据组合线缆上向多个PD(受电设备)输送>100W以及数据(例如，通过铜线或者光纤)。在一个或多个实施例中，该系统可在超过1500米的线缆长度上安全地输送2000W或更多的功率。该系统还可在小于25米的线缆长度上安全地输送更高的功率(例如，6000W)，使其在去中心化的大型机箱系统中非常有价值，以消除背板/大型机箱系统设计。要理解，本文描述的功率水平和线缆距离是被作为示例来提供的，也可使用在不同的线缆长度上输送的其他功率水平，而不脱离实施例的范围。
现在参考附图，首先参考图1A，根据一个实施例，示出了多节点多相脉冲电力框图。图1A中所示的简化示例包括一PSE节点10向三个或更多个PD(例如，脉冲电力抽头/接收器12和节点端点14)输送电力。在这个示例中，脉冲电力抽头/接收器12与端点设备14是分开的，然而，这些节点可被组合。另外，可能有多于一个节点14连接到脉冲电力抽头/接收器12中的一个或多个。
PSE网络设备10包括用于接收输入电力的输入电力接口(例如，在图1A所示的示例中，三个PSU 15接收电力线19)，用于接收输入电力并且通过线缆21向多个受电设备12、14传输多个相位的DC脉冲电力并且在DC脉冲电力的脉冲的关闭时间内验证线缆操作的电力控制系统17，以及线缆接口(例如，电力接口18)，用于在线缆21上输送多相DC脉冲电力和数据(例如，控制数据、双向通信，在铜线或光纤上)。
脉冲电力抽头/接收器12包括用于从PSE 10接收多相位DC脉冲电力和数据的输入线缆接口13a、隔离开关(如下所述)、以及用于向端点节点14传输电力的接口13b。接口13b可以是例如与HVDC线缆22、脉冲电力线缆相连接的接口，或者是与端点节点的直接接口(例如，如图11所示)。抽头/接收器12可沿着脉冲电力线缆系统向一个或多个节点14供应电力。抽头/接收器12的大小可被设置为支持个体节点电力，并且可实现断开以便进行故障隔离或者基于数据链路通信的节点控制。多相位(多相)DC脉冲电力包括至少两个相位，以在端点节点14处提供连续的DC电压。在一个或多个实施例中，多相脉冲电力包括至少三个相位，以便在一个相位丢失的情况下提供连续的电力。脉冲电力抽头/接收器12中的一个或多个还包括输出线缆接口13c，用于在线缆上将多相位DC脉冲电力和数据传输到锥形拓扑结构(抽头节点配置)中的下游抽头节点12。
在图1A所示的示例中，PSE 10包括三个PSU 15和一脉冲电力模块16，该脉冲电力模块16包括控制系统17和电力接口18。如图1A所示，每个PSU 15可通过高电压轨、PM(电力管理)总线线路、56V线或者其任何组合与脉冲电力模块16进行电力通信。在一个示例中，每个PSU 15被配置用于1200W功率，以提供冗余性并且允许使用标准的15A(安培)电力线/分支电路。在一个示例中，PSE 10可操作来向节点14输送>1500W的总功率。在一个示例中，190V的线对地(总共380V)消除了对中间电力转换的需要。
脉冲电力模块控制系统17可提供例如定时和排序、线路检测和表征、电压和电流感测、中点高电阻接地、故障感测、到PSU的通信、以及到远程节点的数据链路/控制。如下所述，控制系统17可在DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间期间验证线缆操作(例如，验证线缆操作完好性)。脉冲电力模块16可包括脉冲电力调制器、安全电路、初始化电路、PMBus、PMBusI2C(I2C(集成电路间))、逻辑、FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理器)、或者被配置为执行本文描述的功能的这些或其他组件的任何组合。
如图1A的示例中所示，PSU 15在线缆19上接收AC电力，并且在线缆21上输送脉冲电力。在一个或多个实施例中，脉冲电力抽头/接收器12可组合相位，并且在线缆22上向节点/端点14输送高电压(HV)DC电力。在另一个实施例中，脉冲电力抽头/接收器12可在线缆22上向端点14输送脉冲电力。在一个或多个实施例中，脉冲电力线缆21包括两个或更多个光纤来用于在组合电力和数据线缆中输送数据，如下所述。在一个示例中，每个分支可以有一条(或多条)专用光纤。
线缆21内的电线可包括双导体、双绞线对(有或者没有屏蔽)、同轴或者三轴线缆，这取决于EMC考虑。可提供单独的接地导体以解决潜在的共模噪声问题。要理解，本文所使用的术语“电线”(wire)可指单条电线或者一对电线。如下所述，电力系统可包括任何数目的电线，这些电线可与光纤或者其他通信传输介质捆绑在一起。
电力通过脉冲电力抽头/接收器12(也被称为分支抽头、智能分支抽头、接收器/转换器)被供应给端点14。在一个或多个实施例中，智能分支抽头12允许分支故障隔离。抽头/接收器12可包括例如隔离开关(断开开关)、数据链路、以及逻辑/定时控制器。抽头/接收器12可用于初始化自动协商过程、故障分支隔离算法、电力初始化、以及故障PD替换。通过脉冲电力线的数据链路允许了实现每个节点14的智能分支抽头12和每个分支的独立控制(断开)以便进行故障隔离或者节点管理。
每个端点14可包括HVDC PSU，用于为端点处的设备供电。端点14可包括例如56VDC负载，并且可例如作为PON(无源光网络)端点、5G节点、接入点、路由器、交换机或者其他类型的设备来进行操作。端点14也可为一个或多个其他节点(例如，PoE节点、IoT(物联网)设备)供电。
图1B图示了多节点脉冲电力框图，其中PSE 20包括两个PSU 15，用于提供2相脉冲电力。要理解，图1A和1B中所示的网络拓扑结构和节点只是示例，网络可包括不同的拓扑结构和网络设备，而不脱离实施例的范围。
如前所述，多个PSU允许多相操作，并且也可提供冗余性。例如，如果在包括三个或更多个相位的系统中一个相位丢失，那么仍然可向PD节点14输送连续的电力。每个相位的大小最好被设置为提供更高的峰值功率，以维持到PD节点14的全功率。进一步的冗余性可通过利用N+1个前端电力(Front End Power，FEP)供应来提供。例如，在总功率为1500W的PD电力系统的情况下，三个1200W的FEP可以按N+N或者N+1的完全冗余性为系统供电，其中每个FEP只需要一共同的120V、15A馈进。
图2A图示了例如在图1A所示的系统中输送的在缺相情况下具有75％占空比的3相脉冲电力电压和电流的示例。示出了理想化的波形，并且净PD电压和线路电流包括来自节点/端点14的恒定功率负载的线路损耗效应。在图2A所示的示例中，相位B缺失了两个周期。用自动协商线路感测24示出了三相电压(A、B和C)(23a、23b、23c)。
如图2A所示，在脉冲开启时间期间，高电压电力被从PSE输送到PD，并且在脉冲关闭时间期间，在高电压电力关闭的同时，可在每个相位上施加低电压，用于低电压感测(如24处所示)，以检查电线完好性。
在25处对于三相位电压组合示出了净PD电压。相应相位电流(A、B、C)(26a、26b、26c)被示出在电压的下方。在27处示出了与三相位电流相对应的净线路电流。如图2A所示，如果一个相位丢失(如相位B缺失所示)，则仍然向PD节点输送连续的电力。每个相位的大小可被设置为提供更高的峰值功率，以维持到PD节点的全功率。
图2B图示了例如在图1B所示的系统中输送的具有66％占空比的2相脉冲电力电压和电流的示例。示出了理想化的波形，并且净PD电压和线路电流包括来自节点/端点14的恒定功率负载的线路损耗效应。用自动协商线路感测24示出了两相电压(A、B)(28a、28b)。在29处对于两相位电压组合示出了净PD电压。相应相位电流(A、B)(30a、30b)被示出在电压的下方。在31处示出了与两相位电流相对应的净线路电流。
如图2A和图2B所示，两条或者更多条传输线(例如，电线或线对)使得能够对每条线(例如，电线或线对)上的导通进行分相，以便在任何时间至少有一条线是接通的。当在PD处进行OR时，其结果是连续的DC电压，如25和29处所示，从而消除了对笨重的滤波器组件的需要。在多相系统中的相位重叠期间，总的线缆电流是在所有接通线上共享的。个体传输线电流被按比例地减小，降低了总的传输线缆损耗。
脉冲的关闭时间可基于线缆对电容来进行配置，并且最大脉冲电力开启时间可被设计为低于由身体冲击电流和标准(例如，参考UL(保险商实验室)标准62368和60950、或者NFPA(国家防火协会)NEC(国家电气规范)70第7章、第8章和第9章的表11A和11B、IEC/TR60479-5、IEC-60947-1和IEC-60947-2、或者任何其他适当的标准或要求)所设置的限制。在一个或多个实施例中，可响应于变化的线缆特性来动态地设置开启时间和关闭时间脉冲宽度。对于到PD的连续净电流供应的需要可确定多传输对系统上的脉冲的相位关系。
在一个或多个实施例中，关闭时间可以是固定的，基于最坏情况线缆长度和特性，或者基于检测到的线缆特性被主动控制(为了更高的效率/更长的范围)。每个相位的开启时间(电力输送)可基于总的脉冲电力电压和基于适当的身体电阻数据的冲击危险限制来固定。这种方法可被用于实现最大的脉冲重叠，从而减小线缆RMS电流并且最大化电力传输距离(或者最小化导线尺寸)。
如前所述，理想化的波形被示出在图2A和图2B中。PSE 10、线缆21和PD接收器12中的电感可能会产生线缆电流的某种平均化，提高重叠电流并且在脉冲关闭时间期间降低电流(图1)。这种影响可能随线缆长度和类型(电感)而变化。图2A和图2B所示的相位电流没有显示这种效应。
要理解，图2A和图2B中示出以及上文描述的电流、电压、脉冲宽度、占空比和相位重叠只是示例，可能与本文示出或描述的不同。例如，在重叠期间可能有更高的脉冲电流，并且在非重叠期间可能有更低的电流。差异可例如取决于脉冲电力传输电感和电容(例如，线缆的延伸长度或类型)。另外，本文描述的安全标准和要求只是示例，并且系统可被设计成满足其他安全标准、要求或限制。
如前所述，多相脉冲电力系统可包括两个或者更多个电线或线对。图3、图5、图7A和图8A分别示出了包括两个线对、三条线、三个线对和四个线对的多相电路的示例。要理解，这些只是示例，而本文描述的多相系统可被实现在包括不同数目的电线或线对的系统上，而不脱离实施例的范围。另外，如前所述，线缆可包括任何数目的光纤或者额外的铜线用于数据传输。
图3示出了2相2对线缆的示例。图3所示的简化电路包括两个调制器开关(MS1(Q1)，和MS2(Q3))和两个隔离开关(IS1(Q2)和IS2(Q4))。如下文关于图10所描述，调制开关与电压输入(Vin)一起位于PSE处，而隔离开关在PD处。在这个示例中，线缆包括两个线对(对1，对2)，每个线对具有电阻(对1处的RC1A、RC1B，对2处的RC2A、RC2B)。RL表示PD处的负载。开关Q1、Q2、Q3和Q4可包括能够在期望的开关频率下操作的任何适当的主动控制开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)、双极结晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)、氮化镓场效应晶体管(Gallium Nitride Field Effect Transistor，GaNFET)、或者固态继电器(solidstate relay，SSR)。开关的闭合和打开可由耦合到开关(未示出)的控制逻辑来管理。控制逻辑可以是处理器的一部分，或者是单独的集成电路。
图4A图示了具有相移脉冲占空比的脉冲电流，它允许了在最低限度的滤波的情况下进行平滑的DC输出。图4A所示的示例使用了非连续电流。图4B图示了每个相位具有>50％的脉冲占空比的脉冲电流，它在没有滤波器的情况下提供了平滑的DC输出。图4A和图4B示出了用于自动协商的长关闭时间的简化设计示例。图4A和图4B都示出了图3中分别在电阻器RC1A/RC1B和RC2A/RC2B处的电流IRC1和IRC2。电流IRL示出了图3中RL处的净线路电流。图4B还示出了图3中分别在电阻器RC1A/RC1B和RC2A/RC2B处的电压VRC1和VRC2。
图5根据一个实施例图示了2相3线线缆。该线缆包括分别在馈线1、馈线2和回线中的电阻RC1A、RC2A和RCR。每条馈线包括模块化开关(MS1(Q1)，MS2(Q3))和隔离开关(IS1(Q2)，IS2(Q4))，如先前图3中关于线对的描述。PSE包括输入电压Vin，并且RL表示PD处的负载。
图6A和图6B图示了用于图5的电路中的自动协商的长关闭时间的简化设计实例。图6A示出了具有相移脉冲占空比的非连续脉冲电流，它允许了在最低限度的滤波器的情况下进行平滑的DC输出。图6B示出了具有>50％的占空比的连续脉冲电流。负载处的电流IRL是连续的，在连续电流的情况下减少或消除了滤波。图6A和图6B都示出了图5中分别在电阻器RC1A/RC1B和RC2A/RC2B处的电流IRC1和IRC2。电流IRL示出了图5中RL处的净线路电流。图6B还示出了图5中分别在电阻器RC1A/RC1B和RC2A/RC2B处的电压VRC1和VRC2。
图7A图示了3相3对系统的示例电路。线缆包括三个线对(对1、对2、对3)和地(Gnd)。每对包括电阻(对1处的RC1A、RC1B，对2处的RC2A、RC2B，对3处的RC3A、RC3B)。示出了PSE处的输入电压Vin，并且RL表示PD处的负载。该电路包括三个调制器开关(MS1(Q1)、MS2(Q3)和MS3(Q5))和三个隔离开关(IS1(Q2)、IS2(Q4)和IS3(Q6))。可以包括单独的地线(Gnd)或者屏蔽来用于EMC控制。
图7B图示了用于具有连续电流的图7A的电路中的自动协商的长关闭时间的简化设计实例。在图7B的示例中示出了具有67％负载占空比的脉冲电流。电流IRL是连续的，并且滤波被减少或者消除了。任何单个相位可以丢失，而对连续DC输出有最低限度的影响，如先前关于图2A的描述。
图8A图示了4相4对系统的示例电路。线缆包括四个线对(对1、对2、对3、对4)和地(Gnd)。每对包括电阻(对1处的RC1A、RC1B，对2处的RC2A、RC2B，对3处的RC3A、RC3B、对4处的RC4A、RC4B)。示出了PSE处的输入电压Vin，并且RL表示PD处的负载。该电路包括四个调制器开关(MS1(Q1)、MS2(Q3)、MS3(Q5)和MS4(Q7))和四个隔离开关(IS1(Q2)、IS2(Q4)、IS3(Q6)和IS4(Q8))。可以包括单独的地线(Gnd)或者屏蔽来用于EMC控制。此示例例如可被实现在标准的4对线缆中。
图8B图示了用于具有连续电流的图8A所示的电路中的自动协商的长关闭时间的简化设计实例。图8B所示的示例包括具有75％占空比的脉冲电流。电流IRL是连续的，并且滤波被减少或者消除了。也减小了每导体的RMS电流。多达两个相位可以丢失，而对连续DC输出具有最低限度的影响。
图9图示了数据和电力输送系统的简化示例，该系统包括PSE 90，其与PD 92通信，通过组合的电力和数据线缆(例如，光纤供电(Power over Fiber，PoF)线缆)94向负载93提供电力。在这个示例中，线缆94包括两条光纤95(例如，双纤单模)和两个双绞线对96(例如，铜线)。可通过光纤95或铜线(双绞线对)96或者单独的传输线来输送97处示出的控制数据。控制数据可包括例如隔离开关同步控制数据、双向控制数据、或者其他PD同步数据。也可通过光纤95或电线96传输双向通信数据。在一个示例中，在高电压开启脉冲期间(例如，在高电压数据链路上)通过铜对提供10MB通信。可在PSE 90处提供输入电力(例如，AC、HVAC、HVDC、线卡48-56VDC)。如下所述，系统还可被配置有一个或多个安全特征，包括冲击保护。在一个示例中，该系统可被配置为以550VDC的脉冲电力在1km的铜线对96上提供2000W的功率。该线缆可包括任何数目的光纤和电线或者线对，并且可在不同长度的线缆上输送其他功率水平。
图10根据一个实施例图示了图9所示的双绞线对96之一的额外细节。在这个示例中，系统提供了高电阻中点接地，用于冲击保护。在一个示例中，中点接地使线对地电压(例如，275V线对地，550V线对线)下降。在一个或多个实施例中，每个传输对的馈线和回线都被切换以实现有效控制，并且线对地故障检测在10-100μs之间。如图10所示，可在PSE 90处提供线缆感测。该系统可提供线对地(GFI(接地故障中断器))冲击保护和线对线冲击保护，用于具有高电压脉冲关闭时间的自动协商期间的任何线缆故障状况。一个或多个实施例为到线缆的任何高电压路径提供了单点故障和冗余性。在一个或多个实施例中，系统可将48-56VDC低电压用于初始启动状况和默认状况，以在使能高电压操作之前建立数据链路和安全联锁。在一个示例中，如收发器98处所示，在高电压开启脉冲期间，通过双绞线对96提供10MB通信。
可包括额外的安全和故障保护，如例如2018年5月4日递交的标题为“High Powerand Data Delivery in a Communications Network with Safety and FaultProtection”的美国专利申请No.15/971,729中所描述，该申请被通过引用全部并入在此。
图11根据一个实施例图示了多相脉冲电力配送系统的示例。PSE源110通过包括光纤和电线的PoF线缆组件114向多个PD 112输送电力和数据。在一个或多个实施例中，在多相DC脉冲电力线缆114上以至少200伏的电压输送多相脉冲电力。在一个示例中，以550VDC脉冲电力在1-10km的铜对与数据光纤对上提供1-2kW的功率。如前所述，脉冲电力可包括任何数目的相位。如上所述，系统可将56VDC低电压用于初始启动状况和默认状况，以在使能高电压操作之前建立数据链路和安全联锁。550VDC脉冲电力可被配送到多个低功率PD PON端点负载，例如5G无线电设备。
要理解，图11中示出和本文描述的电压和功率水平只是示例，并且如前所述，可使用其他电压或功率水平。例如，输入可包括在1100W的115VAC、10/13A，至少有两个电力输入。高电压输出可包括例如在3kW的275/550/1100VDC，并且可以是可调整的(0-100％)。低电压输出可包括例如在150W的56V、12V、3.3V，或者任何其他适当的低电压输出。
图12是根据一个实施例图示出用于输送多相脉冲电力的过程的概述的流程图。在步骤120，电源设备网络设备(例如，图1中的PSE 10)接收输入电力。在步骤122，执行安全的低电压线缆感测以在连接到高电压之前验证线缆的安全性和完好性。低电压测试可用于表征线缆，并且在连接高电压之前检测线对地和线对线的故障。如果在低电压测试期间检测到任何故障，则不施加高电压电力(步骤123)。如果验证了线缆完好性，则PSE 10通过组合线缆将多相脉冲电力和数据传输给多个受电设备(步骤124)。如前所述，在两条或多条电线上输送脉冲电力，以实现传导的分相，使得在任何时间至少有一条电线(线、线对)是开启的，从而在PD处提供连续的电力。PSE对于每个相位在脉冲的关闭时间期间验证安全电力操作(步骤126)。关闭时间可例如用于检查线缆的短路、开路、未报告的功率损耗或者添加的阻抗(例如，由于人或者动物接触)。在脉冲关闭时间期间对安全电力操作的验证可包括例如监视高电压衰减以检测线缆或系统故障，以及在发起下一个开启脉冲之前进行低电压测试。如果没有检测到故障(步骤128)，则可发起下一个开启脉冲(步骤124)。可以连续监视线对地故障，以便保护响应是迅速的。可在关闭脉冲时间期间检测线对线故障，并且保护包括抑制下一个开启脉冲。
要理解，图12所示的过程只是一个示例，在不脱离实施例的范围的情况下，可以对步骤进行添加、组合、去除或修改。
本文描述的实施例在包括多个网络设备的数据通信网络的情境中操作。网络可包括经由任何数目的节点(例如，路由器、交换机、网关、控制器、接入点或者其他网络设备)进行通信的任何数目的网络设备，这些节点促进数据在网络内的传递。网络设备可通过一个或多个网络(例如，局域网(local area network，LAN)、城域网(metropolitan areanetwork，MAN)、广域网(wide area network，WAN)、虚拟专用网络(virtual privatenetwork，VPN)(例如，以太网虚拟专用网络(Ethernet virtual private network，EVPN)、第2层虚拟专用网络(layer 2virtual private network，L2VPN))、虚拟局域网(virtuallocal area network，VLAN)、无线网络、企业网络、公司网络、数据中心、物联网(Internetof Things，IoT)、互联网、内网、或者任何其他网络)进行通信或者与之通信。
网络被配置为将电力传递给网络设备，例如5G节点、交换机、路由器、接入点、或者其他电子组件和设备。信号可在通信设备之间被交换，并且电力被从电源设备传输到受电设备。网络可包括任何数目或布置的网络通信设备(例如，交换机、接入点、路由器、或者其他可操作来路由(切换、转发)数据通信的设备)。
图13是图示出可用于实现本文描述的实施例的网络设备130(例如，PSE、PD)的示例的框图。在一个实施例中，网络设备130是可以用硬件、软件或者其组合来实现的可编程机器。网络设备130包括一个或多个处理器132、存储器134、接口136、以及多相脉冲电力控制模块138。
存储器134可以是易失性存储器或非易失性存储装置，其存储各种应用、操作系统、模块以及数据，供处理器132执行和使用。例如，多相电力控制器模块138的组件(例如，代码、逻辑或者固件，等等)可被存储在存储器134中。网络设备130可包括任何数目的存储器组件。
网络设备130可包括任何数目的处理器132(例如，单处理器或多处理器计算设备或者系统)，其可与可操作来处理封包或封包头部的转发引擎或封包转发器进行通信。处理器132可从软件应用或模块接收指令，这些指令使得处理器执行本文描述的一个或多个实施例的功能。
逻辑可被编码在一个或多个有形介质中，供处理器132执行。例如，处理器132可执行存储在计算机可读介质(例如存储器134)中的代码。计算机可读介质例如可以是电子(例如，RAM(随机访问存储器)、ROM(只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器))、磁性、光学(例如，CD、DVD)、电磁、半导体技术、或任何其他适当的介质。在一个示例中，计算机可读介质包括非暂态计算机可读介质。逻辑可被用于执行上文关于图12的流程图描述的一个或多个功能。
接口136可包括任何数目的电力接口或者网络(数据)接口(线卡、端口、连接器、插座、电力接口、组合数据和电力线缆接口)，用于接收数据或电力，或者将数据或电力传输到其他设备。网络接口可被配置为使用各种不同的通信协议来发送或接收数据，并且可包括机械、电气和信令电路，用于通过与网络耦合的物理链路来传送数据。例如，线路卡可包括端口处理器和端口处理器控制器。电力接口可被配置用于PoF、PoE、更高功率PoE、增强型PoE、PoE+、UPoE或者类似操作。
要理解，图13中示出和上文描述的网络设备130只是一个示例，并且可以使用不同配置的网络设备。例如，网络设备还可包括可操作来促进本文描述的能力的硬件、软件、算法、处理器、设备、组件或元素的任何适当组合。
从前述内容可以看出，一个或多个实施例提供了改进的电力输送，在延长的线缆长度上具有增强的可靠性和安全性，以提供高功率(例如，1000W、2000W、6000W或者其他>100W的功率)。在一个示例中，两相系统大大减少或消除了在PD处用来产生平滑DC电压的储能滤波。在一个示例中，两相脉冲电力传输系统以50％或更大的占空比进行异相操作，以产生平滑的DC电压。在另一个示例中，三相(或者更多相)脉冲电力传输系统以67％或更大的占空比进行移相操作，以减小个体电线电流，来延长传输距离。在一个示例中，三相脉冲电力传输系统以67％或更大的占空比进行移相操作，以引入冗余性来针对个体电线故障进行保护。相位数目可被进一步增大(维持相位偏移)，以进一步减小个体电线电流，来延长传输距离和/或添加冗余性。具有四对电线的四相实现方式可具有减小的个体线对电流，并且可利用现有的线缆基础设施。本文描述的具有多相电力配送的脉冲电力设计概念利用高电压电力传输安全地跨越多个短的分布式分支节点和长距离以很低的安装和操作成本以及改进的效率允许了更高功率的传输，具有更高的效率、更低的EMC以及滤波器尺寸/成本的减少。
虽然已根据示出的实施例描述了方法和装置，但本领域普通技术人员将很容易认识到，在不脱离实施例的范围的情况下，可以作出修改。因此，希望上述描述中包含的和附图中示出的所有事项应被解释为说明性的而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种装置，包括：
输入电力接口，用于接收输入电力；
电力控制系统，用于通过线缆向多个受电设备传输多个相位的DC(直流)脉冲电力并且在所述DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间期间验证线缆操作；以及
线缆接口，用于通过所述线缆向所述多个受电设备输送所述多个相位的DC脉冲电力以及数据。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述线缆包括以50％或更大的占空比进行异相操作的至少两条线。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述线缆包括至少三条线来用于至少三个相位的操作，并且其中在所述至少三个相位之一丢失时，连续的电力被输送到所述多个受电设备。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述至少三条线中的每一者包括线对。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中所述线缆还包括通信传输介质，用于所述装置和所述多个受电设备之间的双向通信。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述通信传输介质包括光纤。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的装置，其中，所述数据被通过脉冲电力线传输，并且提供与所述多个受电设备的同步。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的装置，其中所述电力控制系统可操作来执行线缆感测以识别所述线缆上的故障。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的装置，其中所述装置向所述多个受电设备输送至少1000瓦的电力。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的装置，其中，以至少200伏的电压在所述线缆上传输所述DC脉冲电力。
11.如权利要求1至10中的任一项所述的装置，其中所述装置被配置有中点接地，用于冲击保护。
12.如权利要求1至11中的任一项所述的装置，其中所述电力控制系统提供连续的电流，并且其中在所述多个相位的重叠期间电流被共享。
13.一种装置，包括：
输入线缆接口，用于通过组合电力和数据线缆从电源设备接收多相位DC(直流)脉冲电力和数据；
隔离开关，用于所述装置的故障隔离；以及
用于向端点节点传输电力的接口；
其中所述多相位DC脉冲电力包括至少两个相位以在所述端点节点处提供连续的DC电压，并且其中所述多相位DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间被用于验证线缆操作。
14.如权利要求13所述的装置，还包括输出线缆接口，用于将所述多相位DC脉冲电力和数据传输到下游抽头节点。
15.如权利要求13或14所述的装置，其中所述线缆包括用于所述隔离开关的控制的数据链路。
16.如权利要求13至15中的任一项所述的装置，其中所述线缆包括以50％或更大的占空比进行异相操作的至少两条线。
17.如权利要求13至15中的任一项所述的装置，其中所述线缆包括至少三条线来用于至少三个相位的操作，并且其中，在所述至少三个相位之一丢失时，提供连续的电力。
18.如权利要求13至17中的任一项所述的装置，其中所述线缆包括多个线对和光纤。
19.一种方法，包括：
在电源设备处接收电力；
在多条电线上分相传导DC(直流)脉冲电力以向多个受电设备提供连续的DC电压；
通过线缆向所述多个受电设备传输多相位脉冲电力和数据；并且
在脉冲电力关闭时间期间验证线缆操作。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在以高电压传输所述多相位脉冲电力之前执行低电压线缆感测以验证所述线缆的安全性和完好性，并且其中以所述高电压传输所述多相位脉冲电力包括传输至少1000瓦的电力，并且传输所述数据包括在所述线缆内的光纤上传输所述数据。
21.一种方法，包括：
在输入线缆接口处通过组合电力和数据线缆从电源设备接收多相位DC(直流)脉冲电力和数据；
提供隔离开关用于故障隔离；并且
向端点节点传输电力；
其中所述多相位DC脉冲电力包括至少两个相位以在所述端点节点处提供连续的DC电压，并且其中所述多相位DC脉冲电力中的脉冲的关闭时间被用于验证线缆操作。
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