CN114050562B - 一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业互联网领域，具体涉及一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，所述系统包括PSE侧和PD侧以及连接PSE侧和PD侧的双线链路，PSE侧包括PSE侧信电结构、PSE侧电源结构、PSE侧选通支路、PSE侧EMI抑制电路、PSE侧控制结构；PD侧包括PD侧信电结构、PD侧电源结构、PD侧选通支路、PD侧EMI抑制电路、PD侧控制结构；本发明可以应用为信电同传的智能工厂双线以太网架构，具有双向功率传输、支持更多PSE扩展端口、供电安全系数高、传输距离远的优点，符合10BASE‑T1L国际标准。
Description
技术领域
本发明涉及工业互联网领域，具体涉及一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统。
背景技术
以太网供电(PoE，Power over Ethernet)技术是指一种通过常用的语音、数据和视频的多对双绞线提供电源的技术。以太网供电技术的诞生得以在现有以太网布线基础上，不仅保证为IP终端传输数据信号，同时为此类设备提供直流供电。2016年IEEE推出其数据线供电(PoDL)标准—802.3bu-2016，其用途在于汽车、工业自动化、航空和铁路运输，以及其他采用100BASE-T1、1000BASE-T1或任何单对双绞线数据或非数据实体协议的情形，而且还有可能用于需要通过升级而适应物联网(IoT)发展的各种行业当中的其他情形。2019年IEEE又定义了一种新型以太网标准—IEEE 802.3cg-2019，用于10Mb/s的操作以及通过一对平衡导体进行功率传输。由于单对电缆现在可同时支持数据和电源，因此采用此标准可节省大量成本，并更易于在楼宇自动化应用中进行安装。单对以太网(SPE)大致分为三类：IEEE 802.3.cg-2019(10Mbps)，IEEE802.3.bw-2015(100Mbps)，IEEE 802.3.bp-2016(1,000Mbps)。IEEE 802.3cg分为两类，且这两类的长电缆和短电缆的长度均超过一对平衡的屏蔽或非屏蔽电线。其中一类是10BASE-T1L，采用IEEE 802.3物理层规范，适用于单对平衡导体上的10Mb/s以太网局域网，可达至少1000米(使用18AWG导线进行点对点连接时的长距离)。另一种则为10BASE-T1S，采用IEEE 802.3物理层规范，适用于单对平衡导体上的10Mb/s以太网局域网，可达至少15米(使用多支路连接的24-26AWG导线的短距离)。
“工业4.0”在德国被认为是第四次工业革命，主要是指，在“智能工厂”利用“智能装备”将“智能物料”生产成为“智能产品”，整个过程贯穿以“网络协同”，从而提升生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。它的典型特征是融合性与革命性，作为新一代信息技术与工业化深度融合的产物，其代表一种新的生产方式，并推动传统大规模批量生产向大规模定制生产转变。“工业4.0”其实就是基于信息物理系统实现智能工厂，最终实现的是制造模式的变革。“工业4.0”从嵌入式系统向信息物理系统(CPS)进化，形成智能工厂。智能工厂作为未来第四次工业革命的代表，不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网(物联网、数据网和服务互联网)的方向发展。物联网和服务互联网分别位于智能工厂的三层信息技术基础架构的底层和顶层。最顶层中，与生产计划、物流、能耗和经营管理相关的企业资源规划(ERP)、软件配置管理(SCM)、客户关系管理(CRM)等，和产品设计、技术相关的PLM处在最上层，与服务互联网紧紧相连。中间一层，通过物理信息系统(CPS)实现与生产设备和生产线控制、调度等相关功能。从智能物料供应，到智能产品的产出，贯通整个产品生命周期管理。最底层则通过物联网技术实现控制、执行、传感，实现智能生产。无论是工业互联网、工业4.0、还是智能制造，其出发点和所关注的应用领域各有差异，但它们都是共享着一个核心理念，即把互联网的核心技术——计算和通讯网络技术，更加广泛、深入地应用在工业系统和基本设施中，以实现信息技术与生产运营技术的深度融合；它们都要达到一个共同目的，即通过对物理实体状态和环境的实时感知，在信息空间通过计算做出最佳的决策，动态地优化物理资源的使用。
在IEEE 802.3cg中，规定了数据线供电(PoDL)的架构构成，PoDL是PoE的精简版本，主要包括电源装置(PSE)、用电设备(PD)、信电汇合与分离原理和单对平衡双绞线的双线数据链路。在实际应用中需要根据上述规定的基本框架，重新规划和设计符合需要的信电同传架构，在IEEE 802.3cg中规定的数据线供电(PoDL)架构不具备功率双向流动能力，适合小功率PoDL应用场合，不能接入分布电源。在实际应用中，常见的为PoE的几种多对双绞线的信电分传架构，为此需要设计适应PoDL的新型信电同传架构。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，所述系统包括PSE侧和PD侧以及连接PSE侧和PD侧的双线链路，PSE侧包括PSE侧信电结构、PSE侧电源结构、PSE侧选通支路、PSE侧EMI抑制电路、PSE侧控制结构；PD侧包括PD侧信电结构、PD侧电源结构、PD侧选通支路、PD侧EMI抑制电路、PD侧控制结构，其中：
PSE侧信电结构，用于完成信息的来自工业以太网的信息收发、向PD的信息收发以及与直流电源的耦合或汇入，并能够进行双向传递电功率，其中接口电路需要接收和发送来自工业以太网的数据信息；
PSE侧电源结构，用于由单相交流220V电压源产生直流电源，并接受来自PD侧的回馈电能；
PSE侧选通支路，用于在正常条件下接通直流电源，在异常条件下切断直流电源，位于PSE侧信电结构与PSE侧电源结构之间，起到开关作用；
PSE侧EMI抑制电路，用于抑制PSE侧向双线链路、或来自双向链路的干扰，起到限压作用和抑制共模和差模干扰作用；
PSE侧控制结构，用于协调和控制PSE侧信电结构、PSE侧选通支路、PSE侧电源结构的正常工作；
PD侧信电结构，用于完成来自工厂边缘或边区的信息收发、向PSE的信息收发以及与信号和直流电源的解耦或分离，并能够进行双向传递电功率；
PD侧电源结构，用于转换来自PSE直流电源，用于向蓄电池储电或存储来自小型光伏发电的电能；
PD侧选通支路，用于在正常条件下接通直流电源，在异常条件下切断直流电源，位于PD侧信电结构与PD侧电源结构之间，起到开关作用；
PD侧EMI抑制电路，用于抑制PD侧向双线链路、或来自双向链路的干扰，起到限压作用和抑制共模和差模干扰作用；
PD侧控制结构，用于协调和控制PD侧信电结构、PD侧选通支路、PD侧电源结构的正常工作；
双线链路，用于PSE侧与PD侧的连接，负责同时传递信息数据和电功率或电力。
进一步的，PSE侧信电结构包括第一信息收发单元、第一开关电源单元、第一储能电路、第一极性调整电路、第一选通支路、第一信电汇分电路以及第一EMI抑制电路，其中：
第一信息收发单元，位于PSE侧信电结构的原始信息输入端，用于收发来自或去往控制层或现场层即工业以太网的数据信息；
第一开关电源单元，用于对输入的电压进行降压后提供给其他单元或电路提供；
第一储能电路，用于转储来自PSE侧电源结构的电能或来自PD侧的电能，供交流电源缺电时使用；
第一极性调整电路，用于将来自PD侧不同极性的直流电压转换为上正下负的单极性电源；
第一选通支路，用于接通或关断PSE侧电源结构，系统正常工作时第一选通支路接通，否则第一选通支路关断；
第一信电汇分电路，用于传递高频信号数据和阻止直流电源，实现电力与数据的耦合和解耦功能；
第一EMI抑制电路，用于限制线路过电压以及抑制差模电压和共模电压的传导。
10.进一步的，第一信息收发单元包括第一单元、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第一单元支持10BASE-T1L的端口物理层全部功能于一体，且存在一个接口支持USB、UART和MDIO；第一开关电源单元包括为高压混合反激式开关电源的第二单元；第一储能电路包括第一电解电容和第五交流电容；第一极性调整电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；第一选通支路包括第一功率MOSFET；第一信电汇分电路包括由第一电感、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管构成的通电力阻信号的支路，由第二电感、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管、第十四二极管构成的通电力阻信号的支路，由第一交流电容和第二交流电容构成的通信号阻电力的支路，由第三交流电容和第四交流电容构成的通信号阻电力的支路；第一EMI抑制电路包括第六交流电容、第一瞬态电压抑制器、第二瞬态电压抑制器、第五电阻和第一扼流线圈；其中：
第一电阻一端与第一单元的RX+相连，第二电阻一端与第一单元的TX+相连，第一电阻另一端与第二电阻另一端相连后与第一交流电容一端相连，第一交流电容另一端与第二交流电容一端相连，第二交流电容另一端与公共点DCP3相连；
第三电阻一端与第一单元的RX-相连，第四电阻一端与第一单元的TX-相连，第三电阻另一端与第四电阻另一端相连后与第三交流电容的一端相连，第三交流电容的另一端与第四交流电容一端相连，第四交流电容另一端与公共点DCN3相连；
第一单元的+5V端子与第二单元的+5V输出端子相连，第一单元的0V端子与第二单元的0V输出端子相连，第二单元的输入正极端子与公共点DCP1相连，第二单元的输入负极端子与公共点DCN1相连；
第一电解电容正极与公共点DCP1相连，其负极与公共点DCN1相连，第五交流电容一端与公共点DCP1相连，其另一端与公共点DCN1相连；
第一二极管阴极与第三二极管阴极相连后与公共点DCP1相连，第二二极管阳极与第四二极管阳极相连后与公共点DCN1相连，第一二极管阳极与第二二极管阴极相连后与公共点DCN2相连，第三二极管阳极与第四二极管阴极相连后与公共点DCP2相连；
第一功率MOSFET的漏极与公共点DCN2相连，其另一端与PSE侧电源结构中直流负极相连，公共点DCP2与PSE侧电源结构中直流正极相连；
第一电感一端与公共点DCP2相连，第一电感另一端与公共点DCP3相连，第五二极管阳极与第九二极管阴极相连后与公共点DCP2相连，第六二极管阳极与第八二极管阴极相连后与公共点DCP3相连，第五二极管阴极、第六二极管阴极、第七二极管阳极相连，第八二极管阳极、第九二极管阳极、第七二极管阴极相连；
第二电感一端与公共点DCN2相连，第二电感另一端与公共点DCN3相连，第十一二极管阴极与第十三二极管阳极相连后与公共点DCN2相连，第十二极管阴极与第十四二极管阳极相连后与公共点DCN3相连，第十二极管阳极、第十一二极管阳极、第十二二极管阴极相连，第十三二极管阴极、第十四二极管阴极、第十二极管阳极相连；
第六交流电容一端、第一瞬态电压抑制器一端、第五电阻一端相连后与公共点DCP3相连，第六交流电容另一端、第一瞬态电压抑制器另一端、第五电阻另一端相连后与公共点DCP2相连；
第一共模扼流圈的第一端子与公共点DCP3相连、第二端子与公共点DCN3相连、第三端子与公共点DCN4相连后与第二瞬态电压抑制器一端相连、第四端子与公共点DCP4相连后与第二瞬态电压抑制器另一端相连。
进一步的，PSE侧电源结构包括第一单相交流电源、第一EMI滤波、第一单相APFC、第一高压混合反激SMPS、第一双向升压降压电路、第一蓄电池组、第一无线输电、第一移动电源、第一升压电路和第一小型光伏发电；其中：
第一单相交流电源，用于提供原始的电能，来自单相交流电源；
第一EMI滤波，用于抑制线路的共模干扰和差模干扰；
第一单相APFC，用于完成AC-DC变换；
第一高压混合反激SMPS，用于将第一单相APFC输出的电压进行转换并利用转换后的电压为系统供电，即将单相功率因数校正器(PFC)输出的385V～400V电压，转换为低压，如48V，为PSE-PD系统提供电压；
第一双向升压降压电路，用于将48V直流电压转换成蓄电池的12V直流电压，反之，将蓄电池12V直流电压转换成的48V直流电压；
第一蓄电池组，用于储存电能，电能来自网侧交流电源或来自PD侧回馈的电能，在电网电压缺电时，为系统供电；
第一无线输电，用于提供能源的来源；
第一移动电源，用于提供能源的来源；
第一升压电路，用于将发电系统输出的不稳定低压，转换为蓄电池12V直流电压；
第一小型光伏发电，用于提供能源的来源。
进一步的，第一单相交流电源的火线和零线分别与第一EMI滤波的火线和零线分别相连；第一EMI滤波的输出火线和零线分别与第一单相APFC输入火线和零线分别相连；第一单相APFC输出第三正极和第三负极与第一高压混合反激SMPS的输入第三正极和第三负极分别相连，第一高压混合反激SMPS输出正极与公共点DCP1相连，其输出负极与功率MOSFET的源极连接；第一移动电源输出第四正极和第四负极与第一无线输电的输入第四正极和第四负极分别相连，第一无线输电的输出第五正极和第五负极与第一蓄电池组的输入第五正极和第五负极分别相连；第一蓄电池组的输出第六正极和第六负极与第一双向升压降压电路的输入正极和第一功率MOSFET的源极分别相连；第一小型光伏发电的输出第五正极和第五负极与第一升压电路的输入正极和负极分别相连，第一升压电路为输出正极和负极。
进一步的，PD侧信电结构包括第二信息收发单元、第二开关电源单元、第二储能电路、第二极性调整电路、第二信电汇分电路以及第二EMI抑制电路，其中：
第二信息收发单元，用于收发来自或去往终端或边缘的信息，并收发来自或去往PSE侧的信息；
第二开关电源单元，用于产生第二蓄电池组需要的电压等级；
第二储能电路，用于转储来自PSE侧电源结构的电能或来自PD侧的小型光伏发电和移动电源的电能；
第二极性调整电路，用于将来自PSE侧不同极性的直流电压转换为上正下负的单极性电源；
第二信电汇分电路，用于传递高频信号数据和阻止直流电源；
第二EMI抑制电路，用于抑制来自或去往PSE侧的线路过压和差模干扰和共模干扰。
进一步的，第二信息收发单元包括第十五单元、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻，第十五单元包括支持10BASE-T1L的端口物理层全部功能于一体，且存在一个接口支持USB、UART和MDIO；第二开关电源单元包括为低压混合反激式开关电源的第十四单元；第二储能电路包括第二电解电容和第十二交流电容；第二极性调整电路包括由第十五二极管、第十六二极管、第十七二极管、第十八二极管构成的整流电路；第二选通支路包括第二功率MOSFET；第二信电汇分电路包括由第三电感、第十九二极管、第二十二极管、第二十一二极管、第二十二二极管、第二十三二极管构成的通电力阻信号的支路，由第四电感、第二十二四极管、第二十五二极管、第二十六二极管、第二十七二极管、第二十八二极管构成的通电力阻信号的支路，由第八交流电容和第九交流电容构成的通信号阻电力的支路，由第十交流电容和第十一交流电容构成的通信号阻电力的支路；第二EMI抑制电路包括第七交流电容、第三瞬态电压抑制器、第四瞬态电压抑制器、第六电阻和第二扼流线圈；其中：
第七电阻一端与第十五单元的TX+相连，第八电阻一端与第十五单元的RX+相连，第七电阻另一端与第八电阻另一端相连后与第九交流电容一端相连，第九交流电容另一端与第八交流电容一端相连，第八交流电容另一端与公共点DCP6相连；
第九电阻一端与第十五单元的TX-相连，所述第八电阻一端与第十五单元的RX-相连，第九电阻另一端与第八电阻另一端相连后与第十一交流电容的一端相连，第十一交流电容的另一端与第十交流电容一端相连，第十交流电容另一端与公共点DCN6相连；
第十五单元的+5V端子与第十四单元的+5V输出端子相连，第十五单元的0V端子与第十四单元的0V输出端子相连，第十四单元的输入正极端子与公共点DCP8相连，第十四单元的输入负极端子与公共点DCN8相连；
第二电解电容正极与公共点DCP8相连，其负极与公共点DCN8相连，第十二交流电容一端与公共点DCP8相连，其另一端与公共点DCN8相连；
第十五二极管阴极与第十七二极管阴极相连后与公共点DCP8相连，第十六二极管阳极与第十八二极管阳极相连后与公共点DCN8相连，第十五二极管阳极与第十六二极管阴极相连后与公共点DCP7相连，第十七二极管阳极与第十八二极管阴极相连后与公共点DCN7相连；
第二功率MOSFET的漏极与公共点DCN7相连，其另一端与PD侧电源结构6中直流负极相连，公共点DCP7与PD侧电源结构6中直流正极相连；
第三电感一端与公共点DCP7相连，第一电感另一端与公共点DCP6相连，第二十二极管阳极与第二十二二极管阴极相连后与公共点DCP7相连，第十九二极管阳极与第二十三二极管阴极相连后与公共点DCP6相连，第十九二极管阴极、第二十二极管阴极、第二十一二极管阳极相连，第二十二二极管阳极、第二十三二极管阳极、第二十一二极管阴极相连；
第四电感一端与公共点DCN7相连，第四电感另一端与公共点DCN6相连，第二十四二极管阴极与第二十八二极管阳极相连后与公共点DCN7相连，第二十五二极管阴极与第二十七二极管阳极相连后与公共点DCN6相连，第二十四二极管阳极、第二十五二极管阳极、第二十六二极管阴极相连，第二十七二极管阴极、第二十八二极管阴极、第二十六极管阳极相连；
第七交流电容一端、第四瞬态电压抑制器一端、第六电阻一端相连后与公共点DCP6相连，第七交流电容另一端、第四瞬态电压抑制器另一端、第六电阻另一端相连后与公共点DCN6相连；第二共模扼流圈的第四端子与公共点DCP6相连、第三端子与公共点DCN6相连，第二共模扼流圈第二端子与公共点DCN5相连后与第三瞬态电压抑制器一端相连，其第一端子与公共点DCP5相连后与第二瞬态电压抑制器另一端相连。
进一步的，PD侧电源结构包括第二双向升压降压电路、第二蓄电池组、第二无线输电、第二移动电源、第二升压电路和第二小型光伏发电，其中：
第二移动电源输出第七正极和第七负极与第二无线输电的输入第七正极和第七负极分别相连，第二无线输电的输出第九正极和第九负极与第二蓄电池组的输入第九正极和第九负极分别相连，第二蓄电池组的输出第十正极和第十负极与第二双向升压降压电路的输出正极与公共点DCP7相连，其负极与第二功率MOSFET源极相连；第二小型光伏发电的输出第八正极和第八负极与第二升压电路的输入正第八极和第八负极分别相连，第二升压电路为输出第九正极和第九负极。
进一步的，双线链路包括两条对称平衡的构成单对双绞线，双绞线与PSE侧的DCP3与DCN3相连，与PD侧的DCP4和DCN4相连。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)支持PSE与PD之间电力即功率、信息数据双向流动，距离高达1200m，具有较强的本安性(本质安全性)，PSE侧与P D侧的电路结构具有一定的对称性，便于设计实现；
(2)具有完善的保护功能，包括线路EMI抑制、电压极性校正、电感双向过压限制等功能，防止出现过压、极性错乱等电气问题；
(3)PSE侧与PD侧具有可靠的供电功能，且在PSE侧设置有较大功率的单相功率因数校正能力，可以承担更多的PSE端口数量，PSE侧与PD侧具有供电选通开关。
附图说明
图1为本发明一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统中PSE侧的电路结构示意图；
图2为本发明一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统中双线链路结构示意图；
图3为本发明一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统中PD侧的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，所述系统包括PSE侧和PD侧以及连接PSE侧和PD侧的双线链路，PSE侧包括PSE侧信电结构、PSE侧电源结构、PSE侧选通支路、PSE侧EMI抑制电路、PSE侧控制结构；PD侧包括PD侧信电结构、PD侧电源结构、PD侧选通支路、PD侧EMI抑制电路、PD侧控制结构，其中：
PSE侧信电结构，用于完成信息的来自工业以太网的信息收发、向PD的信息收发以及与直流电源的耦合或汇入，并能够进行双向传递电功率，其中接口电路需要接收和发送来自工业以太网的数据信息；
PSE侧电源结构，用于由单相交流220V电压源产生PSE-PD系统所需直流电源，如+48V，并接受来自PD侧的回馈电能；
PSE侧选通支路，用于在正常条件下接通直流电源，在异常条件下切断直流电源，位于PSE侧信电结构与PSE侧电源结构之间，起到开关作用；
PSE侧EMI抑制电路，用于抑制PSE侧向双线链路、或来自双向链路的干扰，起到限压作用和抑制共模和差模干扰作用；
PSE侧控制结构，用于协调和控制PSE侧信电结构、PSE侧选通支路、PSE侧电源结构的正常工作。
PD侧信电结构，用于完成来自工厂边缘或边区的信息收发、向PSE的信息收发以及与信号和直流电源的解耦或分离，并能够进行双向传递电功率；
PD侧电源结构，用于转换来自PSE直流电源，得到例如+5V或3.3V的直流电源，用于向蓄电池储电或存储来自小型光伏发电的电能；
PD侧选通支路，用于在正常条件下接通直流电源，在异常条件下切断直流电源，位于PD侧信电结构与PD侧电源结构之间，起到开关作用；
PD侧EMI抑制电路，用于抑制PD侧向双线链路、或来自双向链路的干扰，起到限压作用和抑制共模和差模干扰作用；
PD侧控制结构，用于协调和控制PD侧信电结构、PD侧选通支路、PD侧电源结构的正常工作。
双线链路，用于PSE侧与PD侧的连接，负责同时传递信息数据和电功率或电力。
图1～3为本发明实施例一提供的一种功率双向传输的信电同传双线以太网架构的结构示意图。
本发明结构包括PSE侧信电结构、PSE侧电源结构、PSE侧选通支路、PSE侧EMI抑制电路、PSE侧控制结构、PD侧信电结构、PD侧电源结构、PD侧选通支路、PD侧EMI抑制电路、PD侧控制结构以及双线链路，PSE侧信电结构和PD侧信电结构相同，其中PSE侧信电结构包括第一信息收发单元、第一开关电源单元、第一储能电路、第一极性调整电路、第一信电汇分电路以及第一EMI抑制电路，PD侧信电结构包括第二信息收发单元、第二开关电源单元、第二储能电路、第二极性调整电路、第二信电汇分电路以及第二EMI抑制电路，双线链路为单对双绞线，距离可到1200米，能够实现PSE侧与PD侧电力和信息的双线传输，PSE侧与PD侧电源结构产生整个架构所需供电电源，PSE侧与PD侧控制结构负责控制整个架构运行。
上述PSE侧信电结构包括第一信息收发单元、第一开关电源单元、第一储能电路、第一极性调整电路、第一选通支路、第一信电汇分电路以及第一EMI抑制电路，其中：
第一信息收发单元，位于PSE侧信电结构的原始信息输入端，用于收发来自或去往控制层或现场层即工业以太网的数据信息；
第一开关电源单元，用于将输入的+48V或较低电压，转换降压得到+5V的工作电源；
第一储能电路，用于转储来自PSE侧电源结构的电能或来自PD侧的电能，供交流电源缺电时使用；
第一极性调整电路，用于将来自PD侧不同极性的直流电压转换为上正下负的单极性电源，防止极性混乱出现问题；
第一选通支路，用于接通或关断PSE侧电源结构，系统正常工作时第一选通支路接通，否则第一选通支路关断；
第一信电汇分电路，用于传递高频信号数据和阻止直流电源，实现电力与数据的汇合(即耦合)和分离(即解耦)功能；
第一EMI抑制电路，用于限制线路过电压以及抑制差模电压和共模电压的传导。
上述PSE侧电源结构包括第一单相交流电源、第一EMI滤波、第一单相APFC、第一高压混合反激SMPS、第一双向升压降压电路、第一蓄电池组、第一无线输电、第一移动电源、第一升压电路和第一小型光伏发电；其中：
第一单相交流电源，用于提供原始的电能，来自单相交流电源；
第一EMI滤波，用于抑制线路的共模干扰和差模干扰；
第一单相APFC，用于完成AC-DC变换，适合180V～264V交流电压输入，产生385V～400V直流电压，网侧实现单位功率因数；
第一高压混合反激SMPS，用于
第一双向升压降压电路，用于将48V直流电压转换成蓄电池的12V直流电压，反之，将蓄电池12V直流电压转换成的48V直流电压；
第一蓄电池组，用于储存电能，电能来自网侧交流电源或来自PD侧回馈的电能，在电网电压缺电时，可以释放，继续为整个PSE-PD系统供电，以便增加供电的连续性；
第一无线输电，用于提供一种额外能源的来源方式，目的是增加供电的连续性；
第一移动电源，用于提供一种额外能源的来源；
第一升压电路，用于将PV发电系统输出的不稳定低压，转换为蓄电池12V直流电压；
第一小型光伏发电，用于提供一种额外能源的来源，目的是增加供电的连续性，充分利用分布发电。
PSE侧电源结构具体电路连接如图1所示。
上述PD侧信电结构包括第二信息收发单元、第二开关电源单元、第二储能电路、第二极性调整电路、第二信电汇分电路以及第二EMI抑制电路，其中：
第二信息收发单元，用于收发来自或去往工厂终端或边缘的信息，并收发来自或去往PSE的信息；
第二开关电源单元，用于产生第二蓄电池组需要的电压等级，因为PSE侧传导过来的电压较低，在信号和电力分离出的电压等级决定于PD侧的功率大小；
第二储能电路，用于转储来自PSE侧电源结构的电能或来自PD侧的小型光伏发电和移动电源的电能；
第二极性调整电路，用于将来自PSE侧不同极性的直流电压转换为上正下负的单极性电源，防止极性混乱出问题；
第二信电汇分电路，用于传递高频信号数据和阻止直流电源，实现电力与数据的分离功能；
第二EMI抑制电路，用于抑制来自或去往PSE侧的线路过压和差模干扰和共模干扰。
PD侧信电结构具体电路如图3所示。
本发明原理如下：
PSE侧第一极性调整电路将来自PD侧任意极性的电压整流成可供第一开关电源单元输入的直流电压，同样地，PD侧第二极性调整电路将来自PSE侧任意极性的电压整流成可供第二开关电源单元输入的直流电压，DCP2与DCN2、DCP7与DCN7为直流电源引入点，这种设置不会影响极性调整电路的工作。
交流电容具有耦合高频信息数据和隔离直流电源的功能，电感具有限制线路突波电流能力，但是在在启动、停止和异常情况下，电感电流快速变化会引起浪涌电压，因此每个电感两端并联的5只二极管网络，可以双向限制电感电压不超过2个二极管导通压降，从而起到限压保护作用，而且不会造成数据信号从电感导通。
选通支路涉及功率MOSFET S1与S2，只有当S1与S2导通时，PSE侧电源结构和PD测电源结构才能为整个系统提供电力，满足信电同传双线以太网架构的需要。
在实施例中，上述适合功率双向传输的信电同传双线以太网架构一组优选参数为：
符合标准：IEEE802.3cg 2019，即10BASE-T1L，传输速率10Mbps；
传输距离：1200m；
单相交流电源：交流电源220Vac，50Hz；
单相APFC输出电压：385V，开关频率100kHz；
信息收发单元：输出数据差分电压的峰峰值为1.0V或2.4V；
二极管D1～D28：MSE1PB-M3/89A,1A,100V；
功率MOSFET S1～S2：SiC FET，10A@85℃，100V，贴片封装；
电感L1～L4：470μH；
交流电容C1～C4，C8～C11：0.22μF，100V；
交流电容C5～C7，C12：0.1μF，100V；
电解电容E1～E2：10μF，100V；
瞬态电压抑制器TVS1～4：击穿电压8V～40V；
电阻R1、R3、R7、R9：5.1kΩ；
电阻R2、R4、R8、R10：49.9Ω；
电阻R5、R6：10kΩ；
二流线圈CHK1～2：470μH；
双线链路LS1：AWG14～18，500～1200m；
第一低压混合反激SMPS：+48V～+5V；
第二低压混合反激SMPS：低压～+5V；
高压混合反激SMPS：+385V～48V；
EMI滤波器：
单相APFC：单相220V输入，+385V输出，2.5kW；
双向升压降压电路：
蓄电池：额定电压+12V，内置20W无线输电装置的接收器；
无线输电：20W无线输电装置的发射器；
移动电源：超大容量充电宝30000毫安时PD双向快充移动电源；
升压电路：输出电压+12V；
小型光伏发电：开路电压+12V，功率25W；
第一信息收发单元：内置PHY，MAC；
第二信息收发单元：内置PHY，MAC；
接口1～2：USB，RART，MDIO；
辅助控制器1～2：基于SoC的控制电路。
本发明可以应用为信电同传的智能工厂双线以太网架构，具有双向功率传输、支持更多PSE扩展端口、供电安全系数高、传输距离远的优点，符合10BASE-T1L国际标准。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，所述系统包括PSE侧和PD侧以及连接PSE侧和PD侧的双线链路，PSE侧包括PSE侧信电结构、PSE侧电源结构、PSE侧选通支路、PSE侧EMI抑制电路、PSE侧控制结构；PD侧包括PD侧信电结构、PD侧电源结构、PD侧选通支路、PD侧EMI抑制电路、PD侧控制结构，其中：
PSE侧信电结构，用于完成信息的来自工业以太网的信息收发、向PD的信息收发以及与直流电源的耦合或汇入，并能够进行双向传递电功率，其中接口电路需要接收和发送来自工业以太网的数据信息；
PSE侧电源结构，用于由单相交流220V电压源产生直流电源，并接受来自PD侧的回馈电能；
PSE侧选通支路，用于在正常条件下接通直流电源，在异常条件下切断直流电源，位于PSE侧信电结构与PSE侧电源结构之间，起到开关作用；
PSE侧EMI抑制电路，用于抑制PSE侧向双线链路、或来自双向链路的干扰，起到限压作用和抑制共模和差模干扰作用；
PSE侧控制结构，用于协调和控制PSE侧信电结构、PSE侧选通支路、PSE侧电源结构的正常工作；
PD侧信电结构，用于完成来自工厂边缘或边区的信息收发、向PSE的信息收发以及与信号和直流电源的解耦或分离，并能够进行双向传递电功率；
PD侧电源结构，用于转换来自PSE直流电源，用于向蓄电池储电或存储来自小型光伏发电的电能；
PD侧选通支路，用于在正常条件下接通直流电源，在异常条件下切断直流电源，位于PD侧信电结构与PD侧电源结构之间，起到开关作用；
PD侧EMI抑制电路，用于抑制PD侧向双线链路、或来自双向链路的干扰，起到限压作用和抑制共模和差模干扰作用；
PD侧控制结构，用于协调和控制PD侧信电结构、PD侧选通支路、PD侧电源结构的正常工作；
双线链路，用于PSE侧与PD侧的连接，负责同时传递信息数据和电功率或电力；
PSE侧信电结构包括第一信息收发单元、第一开关电源单元、第一储能电路、第一极性调整电路、第一选通支路、第一信电汇分电路以及第一EMI抑制电路，其中：
第一信息收发单元，位于PSE侧信电结构的原始信息输入端，用于收发来自或去往控制层或现场层即工业以太网的数据信息；
第一开关电源单元，用于对输入的电压进行降压后提供给其他单元或电路提供；
第一储能电路，用于转储来自PSE侧电源结构的电能或来自PD侧的电能，供交流电源缺电时使用；
第一极性调整电路，用于将来自PD侧不同极性的直流电压转换为上正下负的单极性电源；
第一选通支路，用于接通或关断PSE侧电源结构，系统正常工作时第一选通支路接通，否则第一选通支路关断；
第一信电汇分电路，用于传递高频信号数据和阻止直流电源，实现电力与数据的耦合和解耦功能；
第一EMI抑制电路，用于限制线路过电压以及抑制差模电压和共模电压的传导。
2.根据权利要求1所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，第一信息收发单元包括第一单元、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，第一单元支持10BASE-T1L的端口物理层全部功能于一体，且存在一个接口支持USB、UART和MDIO；第一开关电源单元包括为高压混合反激式开关电源的第二单元；第一储能电路包括第一电解电容和第五交流电容；第一极性调整电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；第一选通支路包括第一功率MOSFET；第一信电汇分电路包括由第一电感、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管构成的通电力阻信号的支路，由第二电感、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管、第十四二极管构成的通电力阻信号的支路，由第一交流电容和第二交流电容构成的通信号阻电力的支路，由第三交流电容和第四交流电容构成的通信号阻电力的支路；第一EMI抑制电路包括第六交流电容、第一瞬态电压抑制器、第二瞬态电压抑制器、第五电阻和第一扼流线圈；其中：
第一电阻一端与第一单元的RX+相连，第二电阻一端与第一单元的TX+相连，第一电阻另一端与第二电阻另一端相连后与第一交流电容一端相连，第一交流电容另一端与第二交流电容一端相连，第二交流电容另一端与公共点DCP3相连；
第三电阻一端与第一单元的RX-相连，第四电阻一端与第一单元的TX-相连，第三电阻另一端与第四电阻另一端相连后与第三交流电容的一端相连，第三交流电容的另一端与第四交流电容一端相连，第四交流电容另一端与公共点DCN3相连；
第一单元的+5V端子与第二单元的+5V输出端子相连，第一单元的0V端子与第二单元的0V输出端子相连，第二单元的输入正极端子与公共点DCP1相连，第二单元的输入负极端子与公共点DCN1相连；
第一电解电容正极与公共点DCP1相连，其负极与公共点DCN1相连，第五交流电容一端与公共点DCP1相连，其另一端与公共点DCN1相连；
第一二极管阴极与第三二极管阴极相连后与公共点DCP1相连，第二二极管阳极与第四二极管阳极相连后与公共点DCN1相连，第一二极管阳极与第二二极管阴极相连后与公共点DCN2相连，第三二极管阳极与第四二极管阴极相连后与公共点DCP2相连；
第一功率MOSFET的漏极与公共点DCN2相连，其另一端与PSE侧电源结构中直流负极相连，公共点DCP2与PSE侧电源结构中直流正极相连；
第一电感一端与公共点DCP2相连，第一电感另一端与公共点DCP3相连，第五二极管阳极与第九二极管阴极相连后与公共点DCP2相连，第六二极管阳极与第八二极管阴极相连后与公共点DCP3相连，第五二极管阴极、第六二极管阴极、第七二极管阳极相连，第八二极管阳极、第九二极管阳极、第七二极管阴极相连；
第二电感一端与公共点DCN2相连，第二电感另一端与公共点DCN3相连，第十一二极管阴极与第十三二极管阳极相连后与公共点DCN2相连，第十二极管阴极与第十四二极管阳极相连后与公共点DCN3相连，第十二极管阳极、第十一二极管阳极、第十二二极管阴极相连，第十三二极管阴极、第十四二极管阴极、第十二极管阳极相连；
第六交流电容一端、第一瞬态电压抑制器一端、第五电阻一端相连后与公共点DCP3相连，第六交流电容另一端、第一瞬态电压抑制器另一端、第五电阻另一端相连后与公共点DCP2相连；
第一共模扼流圈的第一端子与公共点DCP3相连、第二端子与公共点DCN3相连、第三端子与公共点DCN4相连后与第二瞬态电压抑制器一端相连、第四端子与公共点DCP4相连后与第二瞬态电压抑制器另一端相连。
3.根据权利要求2所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，PSE侧电源结构包括第一单相交流电源、第一EMI滤波、第一单相APFC、第一高压混合反激SMPS、第一双向升压降压电路、第一蓄电池组、第一无线输电、第一移动电源、第一升压电路和第一小型光伏发电；其中：
第一单相交流电源，用于提供原始的电能，来自单相交流电源；
第一EMI滤波，用于抑制线路的共模干扰和差模干扰；
第一单相APFC，用于完成AC-DC变换；
第一高压混合反激SMPS，用于将第一单相APFC输出的电压进行转换并利用转换后的电压为系统供电；用于将单相功率因数校正器(PFC)输出的385V～400V电压，转换为低压，48V，为PSE-PD系统提供电压
第一双向升压降压电路，用于将48V直流电压转换成蓄电池的12V直流电压，反之，将蓄电池12V直流电压转换成的48V直流电压；
第一蓄电池组，用于储存电能，电能来自网侧交流电源或来自PD侧回馈的电能，在电网电压缺电时，为系统供电；
第一无线输电，用于提供能源的来源；
第一移动电源，用于提供能源的来源；
第一升压电路，用于将发电系统输出的不稳定低压，转换为蓄电池12V直流电压；
第一小型光伏发电，用于提供能源的来源。
4.根据权利要求3所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，第一单相交流电源的火线和零线分别与第一EMI滤波的火线和零线分别相连；第一EMI滤波的输出火线和零线分别与第一单相APFC输入火线和零线分别相连；第一单相APFC输出第三正极和第三负极与第一高压混合反激SMPS的输入第三正极和第三负极分别相连，第一高压混合反激SMPS输出正极与公共点DCP1相连，其输出负极与功率MOSFET的源极连接；第一移动电源输出第四正极和第四负极与第一无线输电的输入第四正极和第四负极分别相连，第一无线输电的输出第五正极和第五负极与第一蓄电池组的输入第五正极和第五负极分别相连；第一蓄电池组的输出第六正极和第六负极与第一双向升压降压电路的输入正极和第一功率MOSFET的源极分别相连；第一小型光伏发电的输出第五正极和第五负极与第一升压电路的输入正极和负极分别相连，第一升压电路为输出正极和负极。
5.根据权利要求1所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，PD侧信电结构包括第二信息收发单元、第二开关电源单元、第二储能电路、第二极性调整电路、第二信电汇分电路以及第二EMI抑制电路，其中：
第二信息收发单元，用于收发来自或去往终端或边缘的信息，并收发来自或去往PSE侧的信息；
第二开关电源单元，用于产生第二蓄电池组需要的电压等级；
第二储能电路，用于转储来自PSE侧电源结构的电能或来自PD侧的小型光伏发电和移动电源的电能；
第二极性调整电路，用于将来自PSE侧不同极性的直流电压转换为上正下负的单极性电源；
第二信电汇分电路，用于传递高频信号数据和阻止直流电源；
第二EMI抑制电路，用于抑制来自或去往PSE侧的线路过压和差模干扰和共模干扰。
6.根据权利要求5所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，第二信息收发单元包括第十五单元、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻，第十五单元包括支持10BASE-T1L的端口物理层全部功能于一体，且存在一个接口支持USB、UART和MDIO；第二开关电源单元包括为低压混合反激式开关电源的第十四单元；第二储能电路包括第二电解电容和第十二交流电容；第二极性调整电路包括由第十五二极管、第十六二极管、第十七二极管、第十八二极管构成的整流电路；第二选通支路包括第二功率MOSFET；第二信电汇分电路包括由第三电感、第十九二极管、第二十二极管、第二十一二极管、第二十二二极管、第二十三二极管构成的通电力阻信号的支路，由第四电感、第二十二四极管、第二十五二极管、第二十六二极管、第二十七二极管、第二十八二极管构成的通电力阻信号的支路，由第八交流电容和第九交流电容构成的通信号阻电力的支路，由第十交流电容和第十一交流电容构成的通信号阻电力的支路；第二EMI抑制电路包括第七交流电容、第三瞬态电压抑制器、第四瞬态电压抑制器、第六电阻和第二扼流线圈；其中：
第七电阻一端与第十五单元的TX+相连，第八电阻一端与第十五单元的RX+相连，第七电阻另一端与第八电阻另一端相连后与第九交流电容一端相连，第九交流电容另一端与第八交流电容一端相连，第八交流电容另一端与公共点DCP6相连；
第九电阻一端与第十五单元的TX-相连，所述第八电阻一端与第十五单元的RX-相连，第九电阻另一端与第八电阻另一端相连后与第十一交流电容的一端相连，第十一交流电容的另一端与第十交流电容一端相连，第十交流电容另一端与公共点DCN6相连；
第十五单元的+5V端子与第十四单元的+5V输出端子相连，第十五单元的0V端子与第十四单元的0V输出端子相连，第十四单元的输入正极端子与公共点DCP8相连，第十四单元的输入负极端子与公共点DCN8相连；
第二电解电容正极与公共点DCP8相连，其负极与公共点DCN8相连，第十二交流电容一端与公共点DCP8相连，其另一端与公共点DCN8相连；
第十五二极管阴极与第十七二极管阴极相连后与公共点DCP8相连，第十六二极管阳极与第十八二极管阳极相连后与公共点DCN8相连，第十五二极管阳极与第十六二极管阴极相连后与公共点DCP7相连，第十七二极管阳极与第十八二极管阴极相连后与公共点DCN7相连；
第二功率MOSFET的漏极与公共点DCN7相连，其另一端与PD侧电源结构6中直流负极相连，公共点DCP7与PD侧电源结构6中直流正极相连；
第三电感一端与公共点DCP7相连，第一电感另一端与公共点DCP6相连，第二十二极管阳极与第二十二二极管阴极相连后与公共点DCP7相连，第十九二极管阳极与第二十三二极管阴极相连后与公共点DCP6相连，第十九二极管阴极、第二十二极管阴极、第二十一二极管阳极相连，第二十二二极管阳极、第二十三二极管阳极、第二十一二极管阴极相连；
第四电感一端与公共点DCN7相连，第四电感另一端与公共点DCN6相连，第二十四二极管阴极与第二十八二极管阳极相连后与公共点DCN7相连，第二十五二极管阴极与第二十七二极管阳极相连后与公共点DCN6相连，第二十四二极管阳极、第二十五二极管阳极、第二十六二极管阴极相连，第二十七二极管阴极、第二十八二极管阴极、第二十六极管阳极相连；
第七交流电容一端、第四瞬态电压抑制器一端、第六电阻一端相连后与公共点DCP6相连，第七交流电容另一端、第四瞬态电压抑制器另一端、第六电阻另一端相连后与公共点DCN6相连；第二共模扼流圈的第四端子与公共点DCP6相连、第三端子与公共点DCN6相连，第二共模扼流圈第二端子与公共点DCN5相连后与第三瞬态电压抑制器一端相连，其第一端子与公共点DCP5相连后与第二瞬态电压抑制器另一端相连。
7.根据权利要求6所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，PD侧电源结构包括第二双向升压降压电路、第二蓄电池组、第二无线输电、第二移动电源、第二升压电路和第二小型光伏发电，其中：
第二移动电源输出第七正极和第七负极与第二无线输电的输入第七正极和第七负极分别相连，第二无线输电的输出第九正极和第九负极与第二蓄电池组的输入第九正极和第九负极分别相连，第二蓄电池组的输出第十正极和第十负极与第二双向升压降压电路的输出正极与公共点DCP7相连，其负极与第二功率MOSFET源极相连；第二小型光伏发电的输出第八正极和第八负极与第二升压电路的输入正第八极和第八负极分别相连，第二升压电路为输出第九正极和第九负极。
8.根据权利要求7所述的一种功率双向传输的信电同传双线以太网系统，其特征在于，双线链路包括两条对称平衡的构成单对双绞线，双绞线与PSE侧的DCP3与DCN3相连，与PD侧的DCP4和DCN4相连。
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