CN114514728A - 网络系统中脉冲功率的初始化和同步 - Google Patents

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CN114514728A CN202080070369.3A CN202080070369A CN114514728A CN 114514728 A CN114514728 A CN 114514728A CN 202080070369 A CN202080070369 A CN 202080070369A CN 114514728 A CN114514728 A CN 114514728A
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白成基
理查德·安东尼·奥`布莱恩
乔尔·理查德·歌根
查德·M·琼斯
杰森·德韦恩·波特夫
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Abstract

在一个实施例中，一种方法包括从供电设备向通信网络中的受电设备传输低压脉冲功率，执行安全测试，在通过安全测试后在供电设备处使能高压脉冲功率操作，以及从供电设备向受电设备传输高压脉冲功率。受电设备与低压脉冲功率的波形同步。

Description

网络系统中脉冲功率的初始化和同步
技术领域
本公开总体涉及网络中的功率传输，更具体地，涉及网络系统中脉冲功率的初始化和同步。
背景技术
以太网供电(PoE)是一种通过有线电信网络从供电设备(PSE)经由链路部分向受电设备(PD)提供电功率的技术。在传统的PoE系统中，功率通过数据使用的电缆传送，传输范围从几米到大约一百米。当需要更远的距离或使用光纤电缆时，由于传统PoE的限制，必须通过本地电源(例如壁式插座)供电。此外，当今的PoE系统的功率容量有限，可能不足以满足许多类别的设备。
附图说明
图1示出了可以在其中实现本文描述的实施例的通信网络的示例。
图2描绘了用于实现本文描述的实施例的网络设备的示例。
图3是示出根据一个实施例的脉冲功率系统的组件的框图。
图4是示出根据一个实施例的脉冲功率系统的低压初始化的流程图。
图5是示出根据一个实施例的脉冲功率系统的高压初始化的流程图。
图6是示出根据一个实施例的安全区域内的高压初始化脉冲限制的图。
图7是示出根据一个实施例的电缆电容和安全测试的流程图。
图8是示出根据一个实施例的用于传送脉冲功率的扩展安全功率系统的框图。
图9A是根据一个实施例的用于图7的电缆电容和安全测试的电路的示例。
图9B示出了与图9A的电路中的开关的状态变化相对应的电缆处的电流和电压。
图9C是根据一个实施例的用于另一电缆电容和安全测试的电路的示例。
图9D示出了与图9C的电路中的开关的状态变化相对应的电缆处的电流和电压。
图10A是示出根据一个实施例的用于同步的电路的框图。
图10B示出了与图10A的电路中的开关的状态变化相对应的电缆处的电压。
图11A是示出根据一个实施例的用于图4的低压初始化的电路的框图。
图11B示出了与图11A的电路中的供电设备开关的状态变化相对应的电缆电压和内部电源管理(housekeeping power)。
图11C是根据一个实施例的低压启动电路的示例。
图12A是示出图11A的内部电源管理电路的细节的框图。
图12B示出了图11C的内部电源管理电路的细节。
图12C是图12B的内部电源管理电路的框图。
图13A是示出根据一个实施例的用于图5的高压初始化的电路的框图。
图13B示出了与图13A的电路中的供电设备开关的状态变化相对应的电缆电压和内部电源管理。
图14是示出在图8的电路中添加到高压源的安全保护器/短路继电器的电路的框图。
图15示出了根据一个实施例的具有将供电设备连接到受电设备的光纤和两个双绞线对的电缆，该电缆用于传送扩展安全功率。
图16示出了根据一个实施例的图15中所示的双绞线对之一的细节。
图17示出了根据一个实施例的向多个受电设备分配功率和数据的示例。
图18是示出根据一个实施例的扩展安全功率系统中的供电设备和受电设备之间的电压和功率水平的示例的简化框图。
图19是示出根据一个实施例的扩展安全功率系统中的供电设备和受电设备之间的电压和功率水平的示例的另一简化框图。
图20是示出根据一个实施例的多节点三相脉冲功率系统的示例的框图。
图21示出了用于图20所示系统的三相脉冲功率电压和电流的示例，该系统具有来自端点节点的恒定功率负载。
图22示出了根据一个实施例的在具有四对线的电缆上的两相脉冲功率系统的简化电路。
图23示出了四相脉冲功率系统中的供电设备和受电设备调制器开关的同步。
图24示出了图23的四相脉冲功率系统，其中一相缺失。
图25是示出根据一个实施例的点对点拓扑的框图。
图26是示出根据一个实施例的菊花链拓扑的框图。
图27是示出根据一个实施例的多点拓扑的框图。
图28是示出根据一个实施例的混合多点/菊花链拓扑的框图。
图29是示出根据一个实施例的处于断电状态的混合多点/菊花链拓扑中的供电设备和两个受电设备的框图。
图30示出了在第一受电设备的供电设备检测期间图29的供电设备和受电设备。
图31示出了在第一受电设备的上电期间图29的供电设备和受电设备。
图32示出了第一受电设备的训练阶段。
图33示出了第一受电设备的识别阶段。
图34示出了在供电设备处使能高压脉冲功率之前的最终安全检查。
图35示出了将高压脉冲功率传输到第一受电设备的供电设备。
图36示出了与第一受电设备建立通信的供电设备。
图37示出了在第一受电设备处对第二受电设备的检测以及对第二受电设备的初始化。
图38示出了供电设备对第二受电设备和传输线的安全检查。
图39示出了将高压脉冲功率传输到两个受电设备的供电设备。
图40示出了传送高压脉冲功率并与两个受电设备通信的供电设备。
对应的附图标记在附图的多个视图中表示对应的部分。
具体实施方式
概述
本发明的各方面在独立权利要求中阐述并且优选特征在从属权利要求中阐述。一个方面的特征可以单独或与其他方面结合应用于任何方面。
在一个实施例中，一种方法总体包括：从供电设备向受电设备传输低压脉冲功率，执行安全测试，在通过安全测试后在供电设备处使能高压脉冲功率操作，以及从供电设备向受电设备传输高压脉冲功率。受电设备与低压脉冲功率的波形同步。
在另一个实施例中，一种方法总体包括：在受电设备处接收来自供电设备的低压脉冲功率，将受电设备处的调制器的时序与从供电设备接收的低压脉冲功率的波形同步，以及使用从供电设备接收的高压脉冲功率来操作。
在另一个实施例中，一种方法总体包括：在调制器开关断开的受电设备处接收来自供电设备的高压脉冲功率，当高压脉冲功率的脉冲开启时在受电设备处耦合隔离电压，为受电设备处的内部管理电路供能，以及在接收到指定数量的高压脉冲之后，接通受电设备处的调制器开关。
在又一个实施例中，一种方法总体包括：在与供电设备通信的第一受电设备处识别与第一受电设备通信的第二受电设备，其中，第一受电设备正在接收来自供电设备的高压脉冲功率，向供电设备通知第二受电设备，以及在将高压脉冲功率传递给第二受电设备之前，在第一受电设备处执行与第二受电设备的低压功率初始化。
可以通过参考说明书的其余部分和附图来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
呈现以下描述以使本领域普通技术人员能够制作和使用实施例。具体实施例和应用的描述仅作为示例提供，并且各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。在不脱离实施例的范围的情况下，本文描述的一般原理可以应用于其他应用。因此，实施例不限于所示的那些，而是要符合与本文描述的原理和特征一致的最宽范围。为了清楚起见，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相关的细节。
在用于同时传输功率和数据通信的传统以太网供电(PoE)系统中，功率是通过用于数据的相同双绞线对电缆来传送的。这些系统的范围被限制在几米到大约100m(米)之间。基于IEEE 802.3bt的传统PoE通信电缆通常限制在大约90W(瓦)，但许多类别的受电设备将受益于大于100W并且在某些情况下大于1000W的功率传输。例如，传统PoE无法为更高功率的通信系统(例如，在蜂窝网络中看到的通常需要300W到1000W之间才能运行的远程无线电头端或前传路由器)提供足够的功率。此外，为接入点和IP(互联网协议)电话系统提供交换、路由和功率的企业产品通常需要大约1000W到1500W的功率。在传统系统中，当需要更大的功率传送额定值时，通过本地电源向远程设备供应功率。然而，在网络通信系统(例如，5G蜂窝扩建或其他通信系统以及每层楼有多个非集中式路由器的连接建筑物)中，AC(交流电)电网并不总是可用的，开始时扩建可能不具有成本效益，或在某些位置(例如，无线基站)可能不实用，并且在许多情况下成本过高。例如，在列为“共址”的位置中，通常按连接而不是消耗的功率来对功率进行收费，这使得每个附加的AC连接都非常昂贵。经常使用AC电网系统，因为DC(直流)功率系统不是长距离的良好解决方案。因此，需要一种无需添加AC插座或其他类型的辅助功率馈送就可以向这些设备和其他设备传送功率的装置。
多功能电缆上的可用功率增加到数百甚至数千瓦可能会在其中运行主要设备(例如，工作组路由器、多插槽服务器、大型显示器、无线接入点、雾节点或其他设备)的网络部署中实现许多新的选择。这种能力将大大降低安装复杂性并提高功率和数据连接需求从中央集线器得到满足的设备的更广泛集合的总拥有成本。
为了克服上述问题，功率和数据传输系统可被设计为承载组合到单个电缆中的更高的数据速率和更高的功率传送(并且还可以承载集成的热管理冷却)，如2018年3月2日提交的、申请号为15/910,203的美国专利申请(“通信网络中的组合功率、数据和冷却传输(Combined Power,Data,and Cooling Delivery in a Communications Network)”)中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。这些连接可以是点对点的，例如从中央集线器到一个或多个远程设备(例如，全中心辐射型布局)。在另一个示例中，单个组合功能电缆可能会一直延伸到受电设备的集群，然后分离，如2018年3月12日提交的、申请号为15/918,972的美国专利申请(“通信网络中的组合传输功率、数据和冷却的分离(Splitting of Combined Delivery Power,Data,and Cooling in a CommunicationsNetwork)”)中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。对于高功率应用，会出现进一步的安全问题，这可能导致在启动和功率传输期间需要进行附加的测试或安全检查。
本文描述的实施例通过使用具有故障检测和安全保护的脉冲功率提供了在网络系统中通过数据系统来安全地传输高功率(本文也称为高级数据上功率或扩展安全功率(ESP))。可以在具有或不具有通信的网络系统(例如，网络通信系统)中传输功率。如本文所用，术语“脉冲功率”是指在脉冲关断间隔期间非常小的电压(例如，接近0V(伏特)，3V)和脉冲开启间隔期间较大的电压(例如，≥12V)之间变化的脉冲中传输的功率。高压脉冲功率(例如，>56V、≥60V、≥300V)可以从供电设备(PSE)传输到受电设备(PD)以用于为受电设备供电，而低压脉冲功率(低压脉冲)(例如，～12V、≤30V、≤56V)可以在短间隔内用于启动(例如，对本地能量存储装置进行初始化、同步、充电，为控制器上电，测试或它们的任何组合)。如下文详细描述的，可以在传输高压脉冲功率之前执行初始化过程(低压或高压初始化过程)以同步PSE和PD并提供安全启动。初始化过程可以包括例如安全测试，包括电缆电容测试和供电设备和受电设备之间的调制器开关(脉冲)时序的同步。如下所述，可以在多相脉冲功率系统和各种网络拓扑中针对多个相执行初始化。
例如，一个或多个实施例可以使用多个相(多相)脉冲功率来实现更少的损耗，有效地将100％占空比功率传送(例如，具有重叠相位脉冲的到输出的连续不间断功率)到受电设备，同时提高每个功率连接的可靠性并在延长电缆长度上提供安全操作以传送高功率，如2019年4月10日提交的、申请号为16/380,954的美国专利申请(“网络通信系统中的多相脉冲功率(Multiple Phase Pulse Power in a Network Communications System)”)中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。可以使用多对布线，例如，每对上有DC脉冲，以这样的方式定时，以便在受电设备(或负载)处提供100％的净占空比连续功率。例如，脉冲功率传输可以通过电缆、传输线、母线、背板、PCB(印刷电路板)和功率分发布系统。
ESP系统可以测试网络设备或电缆以识别故障或安全问题。例如，该系统可以被配置为识别传输错误、相位故障(在多相系统中)、过电流、电弧事件、时基控制同步故障、MAC掉线或任何其他通信或功率故障或错误。这些故障可以在多相系统中以每相为基础进行识别。如下所述，低压初始化可用于启动(或重新启动)以测试网络和组件(如下面关于图4的流程图所述)。高压初始化(下文参照图5的流程图描述)也可用于允许添加新的PD或PD的热切换替换，而不需要低压初始化过程。
除了在启动和初始化期间执行测试之外，可以在高压操作期间继续执行测试以在ESP系统中安全地传送功率。在一个或多个实施例中，故障感测可以通过结合使用数据系统的数字联锁的低压安全检查来执行，以提供关于功率系统状态的反馈并设置功率操作模式，如2018年5月4日提交的、申请号为15/971,729的美国专利申请(“具有安全和故障保护的通信网络中的高功率和数据传输(High Power and Data Delivery in aCommunications Network with Safety and Fault Protection)”)中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。可以在低压启动期间或在脉冲功率系统中的高功率脉冲之间执行故障感测。脉冲功率可以包括源电压脉冲功率(单极或双极)或负载电流脉冲功率，其中在高压功率脉冲之间进行低压故障检测。故障感测可以包括例如具有电缆或受电设备的低压感测的线对线故障检测和具有中点接地的线对地故障检测。触摸安全故障保护也可以通过电缆和连接器设计来提供，即使在施加高压的情况下也是触摸安全的。功率安全特征提供了安全的系统操作以及组件的安装和拆卸(断开连接)，包括在某些情况下在不干扰系统的正常操作的情况下替换组件(即，可热切换)。
脉冲之间的关断时间可用于例如针对故障的线对线电阻测试，并且脉冲宽度可与DC线对线电压成比例以提供触摸安全故障保护(例如，约1ms时的约1000V)。测试(故障检测、故障保护、故障感测、触摸安全保护)可以包括在PSE和PD之间进行自动协商。低压(例如，小于或等于24VDC(伏直流)、5-12VDC、56VDC或任何其他合适的低压(例如，<60VDC))电阻分析可用于自动协商。脉冲功率高压DC可与脉冲对脉冲决策一起使用，用于在脉冲之间进行触摸安全的线对线故障询问，以确保人身安全。线对线触摸电击保护可以通过脉冲之间的源脉冲关断时间来提供，用于脉冲之间的跨线电阻检测。
可以执行接地故障检测(GFD)和接地故障隔离(GFI)线对地故障检测，以在高压操作期间提供具有接地故障保护(电击保护)的快速高压中断，作为使用高电阻中点接地电路的一部分。高压DC供电线对地故障保护电路可用于快速切断电源，以提供触摸安全电击保护。例如，GFD和GFI可以在大约10μs(微秒)内提供切断。电源的中点接地方法也可用于允许在电线/导体绝缘和隔离额定值内的更高的峰值脉冲线-线电压以实现线对地保护，并且还提供触摸安全的线对地故障以确保人身安全并满足安全标准。该系统也可以针对可调节时间和电流与电压的关系而被设计，以提供人身电击保护。
在一个或多个实施例中，系统还可以使用电缆的热建模来测试热积聚，如2017年5月24日提交的、申请号为15/604,344的、题为“传输数据和功率的电缆的热建模(ThermalModeling for Cables Transmitting Data and Power)”的美国专利申请中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。例如，可以通过跟踪电缆电流变化和计算电缆电流温度来检测热积聚。电缆温度是电流强度、电缆规格和电缆长度的函数。通过使用已知参数并假设电线尺寸(例如，22AWG)，可以计算电缆在束环境中的温度限制。例如，温度范围可以定义为正常、次要、主要和临界(例如，次要定义在电缆温度限制的20℃内，主要定义在电缆温度限制的10℃内，以及临界定义在电缆温度限制处)。如果温度范围在次要范围内，则系统可能会强制重新协商功率以减少线路上的电流。如果温度在临界范围内，则端口可能会切断电流。可以在每根电线、每对电线、四对电缆或它们的任何组合中计算温度。
在一个或多个实施例中，该系统还可以执行电线故障和电气不平衡检测，如2018年6月27日提交的、申请号为16/020,881的、题为“用于通信电缆上功率的电线故障和电气不平衡检测(Wire Fault and Electrical Imbalance Detection for Power overCommunications Cabling)”的美国专利申请中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入。
在一个或多个实施例中，PSE可以向PD通知PSE能够提供的功率水平，并且然后PD可以选择适当的功率水平以供使用。PSE和PD可以协商例如15W、30W、60W、90W、150W、200W、250W、300W的功率水平或任何其他合适的功率水平。如果没有检测到故障，系统可以自动协商到最大可用功率。一旦增加功率，就可以继续执行故障检测，如前所述。故障检测可以包括例如热积聚检查、电气不平衡检查(电线间不平衡检查、对间不平衡检查)或短路/故障保护检查。该系统可以被配置为以任何顺序执行这些检查中的一个或多个，或者可以同时执行一些步骤。可以连续或以指定的间隔来执行安全检查中的一个或多个。例如，可以在10ms的窗口内以连续循环逐个监视电线。如果检测到故障或超过指定的PSE电压，则关闭功率输出。如果故障很小(例如，一个或多个参数接近极限但不超过极限)，则可以通过重新协商功率水平来降低功率。如果故障继续存在，则端口可能会被关闭。也可能生成警报。在一个或多个实施例中，可以使用分组和空闲(链路)监视来切断功率。如果电线丢失，则链路丢失并且每根电线的故障都被覆盖。
也可以基于监视的(或计算出的)电流来采取行动。例如，如果电缆中的电流超过电缆电流最大限制，则端口可能会被关闭。如果电缆电流达到指定范围，则可能会强制线卡(PD)与PSE执行功率协商，以减少线路上的电流。可以监视每根电线、每对电线、每根电缆或任何组合的电流。电流范围可定义为正常、次要、主要和临界(例如，次要定义在20％最大电流内，主要定义在10％最大电流内，临界定义在最大电流处)。如果范围是次要，则可以执行重新协商以减少电缆上的电流。如果达到临界电流，端口可能会切断电流。
在一个或多个实施例中，一个或多个参数可以是用户定义的。例如，可以为ESP系统或链路设置电缆阻抗、电缆长度、电缆规格和电缆电压额定值。ESP系统可以基于这些参数设置最大电压、电流或功率。如本文所述，系统可以基于电缆电容来执行电缆安全测试。该系统还可以执行上述用于低压和高压的GFI故障测试和线对线故障测试。如果识别出故障，则系统可以设置故障锁存器并尝试自动重启一次或多次。ESP系统中的一个或多个组件可以包括一个或多个视觉指示器(例如，LED(发光二极管))以识别例如低压操作、高压操作或系统/组件/电缆故障。
在一个或多个实施例中，机器学习可以通过定期监视和收集数据(例如，电流、电压、电缆电容、故障、温度等)来执行，以进一步定义可接受的限制并补偿基于电缆、环境或组件随时间的变化的电性能的变化。例如，可以基于数据趋势来定义和更新分析模型，以用于更新电压和负载电流以及操作限制，以补偿电参数的变化并避免错误的系统故障。
在一个或多个实施例中，PSE可以将＞100W连同数据(例如，通过铜线或光纤)在功率和数据组合电缆上传送到多个PD，如下所述。在一个或多个实施例中，系统可以在超过1500米的电缆长度上安全地传送2000W或更多的功率。该系统还可以在不到25米的电缆长度上安全地传送更高的功率(例如，6000W)，这使其在分散大型机箱系统以消除背板/大型机箱系统设计方面非常有价值。应当理解，本文描述的功率水平和电缆距离是作为示例提供的，并且在不脱离实施例的范围的情况下，可以使用在不同电缆长度上传送的其他功率水平。
该系统可以被配置为满足安全标准，包括例如IEC(国际电工委员会)标准No.62368-3:2017(“音频/视频信息和通信技术设备-第3部分：通过通信电缆和端口的DC功率传输的安全方面”)、IEC 60950-1:2005(“信息技术设备-安全-第1部分：一般要求”)、IEC60947(“低压开关设备和控制设备”)或为扩展安全功率系统中的高压(更高功率)应用的人员提供触摸安全电击保护的任何其他适用标准。例如，该系统可以被配置为使用跨HVDC功率(例如，1100V、550V、380V)的大约2.5千欧姆(例如，用于短距离布线或智能数字感测技术)来限制电击电流，其中在1ms内线对地故障限制为约5mA(例如，小于10mA)并且线对线故障限制为约0.5A。在另一个示例中，最坏情况下的电击暴露时间可以是12ms。可以采用适当的技术(例如，故障安全的安全机构批准列出的组件、冗余电路或组件)以满足安全标准。
脉冲的关断时间可以基于电缆对电容来配置并且最大脉冲功率开启时间可以设计为低于身体电击电流和标准(例如，如UL(保险商实验室)标准62368和60950或NFPA(美国国家消防协会)NEC(美国国家电气规范)70第7章、第8章以及第9章中的表11A和11B、IEC/TR60479-5、60479-1、IEC-60947-1、IEC-60947-2、IEC-60947-3、IEC-60335-1、IEC-60990、IEC-60065、IEC-61000-4或任何其他适当的标准或要求中提及的)设置的限制。在一个或多个实施例中，开启时间和关断时间脉冲宽度可以响应于改变电缆特性而动态设置。对PD的连续净电流供应的需要可能决定多个传输对系统上脉冲的相位关系。本文描述的实施例可以被配置为满足单一故障保护或其他安全要求。应当理解，本文讨论的标准和限制仅作为示例提供，并且可以使用其他安全限制或标准，而不背离实施例的范围。
现在参考附图，并且首先参考图1，示出了可以在其中实现本文描述的实施例的通信网络的示例。为简化起见，仅示出了少量节点。实施例在包括多个网络设备的数据通信网络的上下文中操作。网络可以包括通过任何数量的节点(例如，路由器、交换机、网关、控制器、接入点或其他网络设备)进行通信的任何数量的网络设备，这有助于网络内的数据传递。网络设备可以通过以下网络进行通信或者与以下网络进行通信：一个或多个网络(例如，局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、虚拟专用网(VPN)(例如，以太网虚拟专用网(EVPN)、第2层虚拟专用网(L2VPN))、虚拟局域网(VLAN)、无线网络、企业网络、公司网络、数据中心、物联网(IoT)网络、互联网、内联网或任何其他网络)。
在一个或多个实施例中，网络被配置为将电功率与数据一起传递以向网络设备(例如，交换机14、路由器、接入点15或其他电子组件和设备)提供数据连接性和电功率两者。信号可以在通信设备之间交换，并且功率从供电设备(PSE)10传输到受电设备(PD)14、15、17、19。在一个或多个实施例中，系统使用接口模块16(例如，光收发器模块)向/从网络(例如，交换机/路由器系统)传送功率，该接口模块16被配置为接收和发送数据(光纤传送的数据)和电功率(高功率能量)。在一个或多个实施例中，功率和数据可以通过包括光纤和电线(例如，铜线)两者的电缆传送，如2017年9月18日提交的、申请号为15/707,976的美国专利申请(“通过光学系统来传输功率(Power Delivery Through an Optical System)”)中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。在一个或多个实施例中，该系统可以进一步在单个混合电缆系统内提供冷却并传输组合的功率、数据和冷却，例如上面引用的申请号为15/910,203和15/918,972的美国专利申请中所描述的。
如图1的示例中所示，系统可以使用提供给例如可以位于房屋/入口房间中的中央网络设备(集线器)(PSE)10的建筑物功率。功率可以从建筑物入口点传输到端点(交换机14、接入点15)，端点可以位于大于100米的距离处(例如，1km(公里)、10km或任何其他距离)，和/或处于大于100W(瓦)的功率水平(例如，250W、500W、1000W、2000W或任何其他功率水平)。中央网络设备10包括一个或多个电源单元(PSU)11，用于接收和分配功率(例如，来自电网、可再生能源、发电机或电池的建筑功率)，以及网络接口(例如，结构12、线卡13)。在图1所示的示例中，线卡A从建筑物外部(例如，从街道或其他位置)接收数据，线卡B、C、D分配功率和数据。
中央集线器(组合的功率和数据源)10可操作以从内部功率系统(例如，PSU 11，能够传送超过并包括5kW、100kW等的功率，并驱动多个设备14、15，每个在100W-3000W范围内(例如，100W或更大、900W或更大、1000W或更大，或任何其他合适的功率范围内)提供高容量功率。PSU 11可以提供例如PoE(以太网供电)、PoF(光纤供电)、HVDC(高压直流电)、脉冲功率HVDC或AC(交流电)。中央网络设备10可操作以通过通信网络(例如，包括中央集线器10(PSE)和多个网络设备14、15、17、19(PD)的网络)中的组合传送功率和数据电缆18接收外部功率并传输功率。中央网络设备10可以包括例如路由器、汇聚系统或任何其他合适的线卡系统。应理解，这只是示例，可以使用可操作以传输功率和光学数据的任何其他网络设备。线卡13中的一个或多个还可以包括接口模块16(在远程网络设备14、15处示出)，该接口模块16可操作以在电缆18上传输功率和数据。
网络可以包括任何数量或布置的网络通信设备(例如，交换机14、接入点15、路由器或可操作以路由(交换、转发)数据通信的其他设备)。在一个示例中，网络包括多组接入点15，每组位于不同楼层或区域。网络设备14、15中的一个或多个还可以使用PoE向下游节点(例如，PoE设备19)传送功率。例如，网络设备14、15中的一个或多个可以使用PoE向电子组件传送功率，诸如IP(互联网协议)相机、VoIP(IP语音)电话、摄像机、销售点设备、安全访问控制设备、住宅设备、楼宇自动化设备、工业自动化设备、工厂设备、灯光(建筑灯、路灯)、交通信号灯、雾节点、IoT设备、传感器以及许多其他电气组件和设备。在一个或多个实施例中，冗余中央集线器(未示出)可以根据网络中的需要来提供备用或附加的功率或带宽。在这种情况下，远程网络设备14、15将包括另一个接口模块16，用于与从冗余中央集线器传送功率和数据的另一个电缆18连接。如下文详细描述的，网络可以布置成各种拓扑，包括例如点对点、菊花链、多点或混合多点/菊花链，用于将高压脉冲功率传送到下游设备(例如，与交换机14通信的PD 17)。
如前所述，中央集线器10可以直接向每个网络设备14传送功率和数据(如针对图1中连接到线卡B和D的交换机14所示的点对点连接)，或一个或多个分路器设备(未示出)可用于连接多个网络设备，并允许网络超越点对点拓扑并构建无源星形、总线、锥形、多层树等。例如，单个长电缆18可以延伸到服务于物理上接近的端点设备的集群的方便定位的中间分路器设备(例如，无源分路器)。用于功率和数据的一个或多个控制系统可以在中央集线器10和远程设备15(以及它们的接口模块16)之间交互，以确保每个设备从分路器设备接收其对每个资源的公平份额，如上面引用的申请号为15/918,972的美国专利申请中所描述的。
在一个或多个实施例中，从网络设备10延伸到交换机14和接入点15的电缆(组合电缆、多功能电缆、多用途电缆、混合电缆)18被配置为传输功率和数据，并包括光纤和电线两者。电缆18可以包括例如两条功率线(导体)和两条数据线(光纤)。应当理解，这仅是示例并且电缆18可以包含任何数量的功率线或数据线。例如，代替使用两条光纤路径将数据从中央集线器10传输到远程设备14、15以及从远程设备传输到中央集线器，可以使用双向光学系统，其中一个波长的光去往下游(从中央集线器10到远程设备14、15)，而不同波长的光去往上游(从远程设备14、15到中央集线器10)，从而将电缆中的光纤数量从两根减少到一根。电缆18还可以包括附加的光纤或功率线。电缆18可以由适合承载电功率和光学数据两者的任何材料(例如，铜、光纤)形成并且可以承载任何布置的任何数量的电线和光纤。电缆18可以传输功率、数据(电)、数据(光)和冷却中的一种或多种。
如前所述，电缆18还可以承载用于远程网络通信设备14、15的热管理的冷却。例如，在一个或多个实施例中，从中央集线器10延伸到远程网络设备14、15的电缆18可以被配置为在单根电缆中传输组合的传送功率、数据和冷却。在该实施例中，电缆18可以由任何适合承载电功率、数据(例如，铜、光纤)和冷却剂(液体、气体或多相)的材料形成，并且可以承载任何布置的任何数量的电线、光纤和冷却管。
电缆18在每一端包括连接器，该连接器被配置为与网络设备10、14、15处的接口模块16耦合。该连接器可以包括例如组合的功率和数据连接器(混合铜和光纤)，被配置为连接到光收发器，如上文引用的申请号为15/707,976的美国专利申请中所描述的。连接器可以包括例如改进的RJ-45型连接器。
在一个或多个实施例中，连接器和电缆18被配置为通过包括间隙和爬电距离以及触摸安全技术的方式在相关高压下满足线对地保护和线对线保护的标准安全要求。连接器可以包括安全特征，包括例如用于热插入和热拔出的短针，而没有用于连接器电弧保护的电流浪涌或中断。连接器还可以包括用于热插入和热拔出的附加绝缘材料，具有带弧闪保护的电流浪涌或中断和带电弧的可靠性寿命。绝缘电缆功率连接器端子优选地配置为满足触摸电压或电流可访问性要求。
如前所述，网络设备10、14、15中的一个或多个可以包括接口模块16，该接口模块16可操作以从PSE 10传送组合的功率和数据或在PD14、15处接收组合的功率和数据。在一个或多个实施例中，接口模块16可以包括光学收发器模块，该光学收发器模块被配置为传送(或接收)功率以及光学数据。例如，在一个实施例中，接口模块16包括与光纤连接器系统一起修改的收发器模块以结合铜线通过光学收发器将功率传送到受电设备14、15以供网络通信设备使用，如以上引用的申请号为15/707,976的美国专利申请或2018年3月30日提交的申请号为15/942,015的美国专利申请(“网络设备处用于组合的传输功率、数据和冷却的接口模块(Interface Module for Combined Delivery Power,Data,and Cooling at aNetwork Device)”)中所描述的，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。应当理解，这些只是可用于传送或接收高功率和光学数据的接口模块的示例。
接口模块16(光学模块、光学收发器、光学收发器模块、光学器件、光学模块、硅光子模块)被配置为提供或接收功率。接口模块16操作为将光信号双向转换为电信号的引擎，或者通常操作为到网络元件铜线或光纤的接口。在一个或多个实施例中，接口模块16可以包括任何形状因子的可插拔收发器模块(例如，SFP(小形状因子可插拔)、QSFP(四通道小形状因子可插拔)、CFP(C形状因子可插拔)等)，并且可以支持例如高达400Gbps的数据速率。这些可插拔光学模块的主机包括中央网络设备10上的线卡13、交换机14、接入点15或其他网络设备。主机可以包括印刷电路板(PCB)和电子组件和电路，这些电子组件和电路可操作以连接电信网络中的电信线路。主机可以被配置为执行一个或多个操作并且接收被配置为发送和接收信号的任何数量或类型的可插拔收发器模块。
此外，可以注意到，接口模块16可以被配置为在点对多点或多点对点拓扑中操作。例如，QFSP可能会突破到SFP+。一个或多个实施例可以被配置为允许负载转移。接口模块16还可以被配置为与AOC(有源光缆)和在UWB(超宽带)应用中使用的形状因子一起操作，包括例如超HDMI(高清多媒体接口)、串行高带宽电缆(例如，雷电)和其他形状因子。
接口模块16提供要传送到标准功率不可用的位置处的交换机14和接入点15的功率。如下所述，接口模块16可以被配置为挖掘一些能量并做出智能决定，使得电源10知道何时安全地增加电线上的功率而不损坏系统或危及操作员。接口模块16可以包括一个或多个传感器、监视器或控制器，用于监视和控制功率和数据，如下面关于图3详细描述的。
在一个或多个实施例中，通信网络不需要附加的电线，并且所有网络通信设备都使用由扩展的安全功率系统提供的功率来操作。除了包括可操作用于通过电线接收和发送功率以及通过光纤接收和发送光学数据的接口模块16的网络设备10、14、15之外，网络还可以包括一个或多个包括仅处理和传输光学数据的传统光学模块的网络设备。这些网络设备将接收来自本地电源(例如，墙式插座)的电功率。类似地，收发器16的专门变体可以消除光学数据接口，并且仅互连功率(例如，将数据互连移动到无线网络)。如前所述，除了功率、数据或功率和数据之外，网络设备中的一个或多个还可以通过电缆18来接收冷却。
在一个或多个实施例中，包括位于中央集线器的控制器和远程设备的处理器上的组件的分布式控制系统可以通过组合电缆18中的光纤链路进行通信。监视来自功率传感器的信息(例如，电流、电压)或数据使用情况(例如，带宽、缓冲区/队列大小)可以由控制系统在管理或分配功率或数据时使用。
该系统可以被配置为传送PoE、PoF、高压DC(HVDC)、AC功率、脉冲功率、多相脉冲功率或它们的任何组合。HVDC功率可以包括稳态HVDC或脉冲功率HVDC。如上文引用的申请号为15/971,729的美国专利申请中所描述的，稳态和脉冲功率HVDC可以是单极的或双极的(开关DC)。在一个或多个实施例中，系统可以采用在电源10和受电设备14、15之间进行检测和协商的双功率模式。这种协商区分并适应不同的功率传送方案，例如标准PoE或PoF、高功率、脉冲功率或能够通过接口模块16进行功率传送的其他功率模式。例如，标准PoE分配可用于额定值小于约100W的远程网络设备。对于更高功率的远程受电设备，可以使用脉冲功率或其他更高的电压技术来创建高效的能量分配网络。
如下文详细描述的，远程网络设备14、15、17可以在启动时使用少量功率来将其功率和数据需求传送到中央网络设备10。受电设备14、15、17然后可以相应地对自身进行配置以实现全功率操作。在一个示例中，通过光纤上的数据通信信号在中央集线器(PSE)10和网络设备14、15、17之间协商功率类型、模块的安全操作和数据速率。接口模块16传送任何操作故障，包括数据丢失。此类故障可能导致功率立即切断或切换到低功率(低压)模式。直到受电设备能够返回在低功率模式下进行通信使得可以安全地应用更高的功率，才能重新建立全功率供应。
应当理解，图1中所示的和上面描述的网络设备和拓扑仅是示例，并且本文描述的实施例可以在包括不同网络拓扑或网络设备的网络中实现，而不脱离实施例的范围。网络(或网络的一个或多个部分)可以被配置为仅用于功率传送或用于功率和通信。网络可以包括任何数量或类型的促进数据在网络上的传递的网络通信设备(例如，路由器、交换机、网关、控制器)、作为端点或主机操作的网络元件(例如，服务器、虚拟机、客户端)、以及与任意数量的网络进行通信的任意数量的网络站点或域。因此，网络节点可用在任何合适的网络拓扑中，其可包括任意数量的服务器、虚拟机、交换机、路由器或互连以形成可包括云或雾计算的大型复杂网络的其他节点。节点可以通过一个或多个采用任何合适连接的接口耦合到其他节点或网络，这为电子通信和功率提供了可行的路径。
图2示出了可用于实现本文描述的实施例的网络设备20(例如，图1中的中央集线器(PSE)10、交换机(PD)14、接入点(PD)15)的示例。在一个实施例中，网络设备20是可以以硬件、软件或其任意组合实现的可编程机器。网络设备20包括一个或多个处理器22、传感器23(例如，功率传感器(例如，电压、电流传感器)、通信传感器、热传感器)、存储器24、接口26、光学模块28(例如，图1中的功率+光学接口模块16)和功率模块/控制器29。如果系统被配置用于组合的功率、数据和冷却传送，则网络设备还可以包括一个或多个冷却组件21(传感器、控制阀、泵等)。
存储器24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、模块和数据以供处理器22执行和使用。例如，光学模块28或控制器29的组件(例如，代码、逻辑或固件等)可以存储在存储器24中。网络设备20可以包括任意数量的存储器组件。
网络设备20可以包括任意数量的处理器22(例如，单处理器或多处理器计算设备或系统)，其可以与可操作以处理分组或分组报头的转发引擎或分组转发器进行通信。处理器22可以接收来自软件应用或模块的指令，这使得处理器能够执行本文描述的一个或多个实施例的功能。处理器22还可以操作功率控制模块29的一个或多个组件，用于故障检测、自动协商、数字互锁、同步、多相控制、脉冲功率控制、低压、高压控制、调制器开关控制等。
控制器(功率模块/控制器)29可以被配置用于自动协商、故障检测、初始化、数字联锁、同步、多相控制、脉冲功率控制或其他控制或管理功能。控制系统29可以包括位于中央集线器10和远程设备14、15处并且通过组合的功率和数据电缆18(图1和图2)互连的组件(模块、代码、软件、逻辑)。控制系统29还可以接收来自功率传感器或数据监视设备的输入，如下面关于图3所描述的。PD处的功率模块/控制器29可以与PSE 10处的控制系统进行通信以初始化操作、同步操作(例如，脉冲波形、电流、电压)、自动协商功率系统的状态、识别功率系统中的任何故障(例如，电缆或受电设备)、选择功率操作模式或其任何组合。如前所述，可以在低压启动期间或脉冲功率系统中的脉冲之间执行自动协商。一个或多个控制系统或功率模块组件可以位于光学模块28处。
逻辑可以被编码在一个或多个有形介质中以供处理器22执行。例如，处理器22可以执行存储在诸如存储器24之类的计算机可读介质中的代码。计算机可读介质可以是例如电子(例如，RAM(随机存取存储器)、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合适的介质。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。逻辑可用于执行以下关于图4、图5和图7的流程图描述的一个或多个功能。
接口26可以包括任意数量的网络接口(线卡、端口、连接器)，用于接收数据或功率，或者将数据或功率传输到其他设备。网络接口可以被配置为使用各种不同的通信协议来发送或接收数据，并且可以包括用于在耦合到网络接口的物理链路上传送数据的机械、电气和信令电路。例如，线卡可以包括端口处理器和端口处理器控制器。接口26可以包括一个或多个光学和电气接口。如果系统被配置用于冷却，则接口26还可以包括流体端口。接口26中的一个或多个可被配置用于PoE+F+C(以太网供电+光纤+冷却)、PoE+F、PoE、PoF、高压脉冲功率、多相脉冲功率或类似操作。
光学模块28可以包括用于监视或控制扩展安全功率系统的逻辑、固件、软件等。例如，光学模块28可以包括用于功率检测、系统启动、同步、功率监视和控制或功率使能/禁用的硬件或软件。光学模块28还可包括一个或多个处理器或存储器组件，或用于接收或传送功率和数据的接口26。如前所述，在一个或多个实施例中，由电源27向光学模块供电，并且光学模块28向网络设备20处的其余组件供电。
应当理解，图2中所示和上面描述的网络设备20仅仅是示例并且可以使用网络设备的不同配置。例如，网络设备20还可以包括可操作以促进本文描述的能力的硬件、软件、算法、处理器、设备、组件或元件的任何合适组合。
图3是示出根据一个实施例的用于在网络设备30处的功率监视和控制、启动、同步、自动协商和故障保护的组件的框图。图3中所示的组件中的一个或多个可以位于接口模块16处或与接口模块的一个或多个组件进行通信(图1和图3)。承载高功率和数据两者的电缆18在图3中示出为具有耦合到接口模块的电缆连接器36。功率在电接口37a处接收，并且数据在光学接口37b处接收和发送，这两者都可以例如位于光学模块16处。连接器36可以包括单个物理组件或具有例如用于每个功能的模块化部分的单个组件。
网络设备30包括用于接收光学数据并将其转换为电信号(或将电信号转换为光学数据)的光学/电组件31，以及包含功率检测模块32a、32b、功率监视和控制模块33和功率使能/禁用模块34的功率组件。尽管结合检测元件32a、32b描述了PoE和脉冲功率，但是应该理解，包括AC、DC和USB的其他功率传送方案可以用类似的元件来支持。此外，功率的类型可以分为高压功率和低压功率。功率组件可以通过隔离组件(例如，隔离材料或元件)与光学组件31隔离，该隔离组件将功率电路与光学组件电磁隔离以防止干扰光学器件的操作。网络设备30可以包括与脉冲功率检测模块32a和PoE检测模块32b一起操作的自动检测模块35。模块35还可以操作以基于网络设备操作基于哪种传送模式是更高效的来选择功率传送模式(例如，PoE或脉冲功率)。检测元件32a、32b、自动检测模块35、功率监视和控制模块33或自动协商模块39的一种或多种功能可以组合成功率模块并在接口模块内操作。
自动协商/数字联锁模块39可用于执行一个或多个故障检测、自动协商或数字联锁过程。如下文详细描述的，自动协商可以包括PSE和PD之间的通信以及中央网络设备和远程网络设备处的控制器之间的交互。可以提供门控制/调制器40以在系统初始化或测试期间隔离一个或多个电路并调制脉冲功率，如下面关于图10A-图13B所描述的。如下所述，网络设备30还可以包括在设备的启动和测试期间使用的自举/内部管理电路38。一个或多个控制信号或监视信息可以通过数据线(例如，光纤)或通过混合功率和数据电缆18中的功率线来传输，以提供网络设备、电缆或功率电路的操作状态(例如，故障/无故障)。
在图3所示的示例中，每个模块32a、32b与其自己的功率监视和控制模块33和功率使能/禁用模块34进行通信。电路对施加到网络设备30的功率类型进行检测，确定PoE还是脉冲功率是更高效的功率传送方法，然后使用所选择的功率传送模式。在一个或多个实施例中，PoE或高压脉冲功率可通过同一电缆18来传输。
网络设备30被配置为计算可用功率并防止布线系统在不应该被供电时被供能。功率监视和控制模块33持续监视功率传送，以确保系统能够支持所需的功率传送并且不超过安全限制(例如，电压、电流)。如果缺少光转换或与电源的通信，功率监视和控制模块33还可以监视光学信令并禁用功率。功率监视和控制功能可以感测电压和电流流动，并将这些读数报告给中央控制功能。在一个实施例中，网络设备30在启动或重新启动时使用少量低压功率(例如，≤12V、≤24V、≤60V)来传送其功率和数据需求和状态。如果未检测到故障或安全条件，然后网络设备30可以被配置用于全功率操作(例如，>60V、≥300V、≥500V、≥1000V)(例如，在高功率使能/禁用模块34处)。如果检测到故障，则可能无法建立全功率操作，直到网络设备以可以安全地应用高功率的低功率模式进行通信。自动协商模块39与中央网络设备处的控制系统进行通信以选择安全操作模式(例如，确定施加高压功率是安全的)，识别电路中的故障(例如，线对线或线对地故障检测)，以及如果在启动时或在正常运行期间高压脉冲功率之间的测试期间识别出故障，则切断功率。如下所述，可以在有或没有通信的情况下传送功率。
应当理解，图3中所示的系统仅仅是示例，并且可以在不脱离实施例的范围的情况下添加、移除、组合或重新布置组件。例如，如前所述，网络设备也可以配置为没有光学接口37b和光学组件31。
如下所述，初始化过程可以用低压(图4)或高压(图5)来执行。例如，高压初始化过程可用于添加新的PD或热切换PD替换或简化功率初始化过程，同时提供另一层高压安全来代替低压安全初始化。图7示出了可以在启动时或在任何其他时间执行的电缆电容和电击故障测试，以检查是否增加了附加的电缆长度。示出了根据一个或多个实施例的用于电缆电容和电击故障测试(图9A和图9C)、初始上电后同步(图10A)、初始低压启动(图11A、图11C、图12A、图12B和图12C)、以及初始高压启动(图13A)的简化框图和电路。应当理解，为了简化，图4-图14中所示和本文描述的过程和电路是针对一个相来说明的，并且这些过程和电路可以针对多相系统的每个相复制，如下关于图20-图22所述。
如下文详细描述的，PD初始化可以包括为初始PD内部管理电压上电，其中PD调制器开关断开以向收发器、PD调制器门和微控制器/DSP供电。通过将功率转换器负载操作与电缆电压波形进行同步，可以在PSE调制器开启时间期间产生PD内部管理电压。如前所述，初始化可以包括低压或高压初始化。在一个低压初始化示例中，可以在切换到高压(例如，380VDC)之前施加低压(例如，24VDC)。这可能包括长的初始开启时间段，以在仅在高压脉冲调制期间汲取功率之前为DC内部管理电容器完全上电获得更快的启动时间。对于高压初始化，可以在初始化期间使用短时间高压脉冲来增加高压保护。在另一个高压初始化示例中，标称时间(正常操作脉冲宽度)操作高压脉冲和占空比/频率可以根据需要用于安全测试，包括电缆电容测试。例如，该高压初始化过程可用于PD热切换替换或将新的PD添加到具有高压脉冲调制的电缆(电缆上的高压脉冲功率)。
在一个或多个实施例中，PSE处的低压初始化包括将低压脉冲功率从PSE传输到PD，执行安全测试(例如，安全身体电击保护测试、电缆电容测试)，以及通过安全测试后在供电设备处使能高压脉冲功率操作。在低压初始化期间，PD与低压脉冲功率的波形同步。例如，PD处的调制器开关可以与PSE处的调制器开关同步。如本文所用的术语“调制器开关”可以指一个或多个调制器开关(例如，一个或多个具有共同控制的开关)、功率调制器、脉冲调制器、脉冲功率调制器、控制开关、门控制、隔离开关或可操作以执行本文所述的功能的类似组件或组件组。同步可以在高压脉冲功率操作期间继续。
在一个或多个实施例中，PD处的低压初始化包括在PD处接收来自PSE的低压脉冲功率，将受电设备与从供电设备接收的低压脉冲功率的波形同步，以及利用从供电设备接收到的高压脉冲功率来操作PD。在PD处的初始化期间，调制器开关可能断开，同时为PD处的内部管理电路供能。然后可以在PSE执行电容和安全测试的同时接通调制器开关。
应当理解，本文使用的术语“同步”例如是指通过将PSE和PD调制器开关驱动或调制器开关之一与电压波形进行协调来协调PSE和PD处的脉冲。同步用于对齐PSE和PD处的脉冲(调制器开关)，并可能导致PSE和PD处的脉冲宽度(调制器切换)之间存在差异。例如，如下面关于图23和图24所描述的，同步可以在PD处提供比在PSE处的脉冲宽度更小的脉冲宽度。如下所述，例如，PSE和PD之间的关断/开启同步可以在初始化期间执行并且基于PSE安全测试或网络中的变化(例如，电缆的变化、新网络设备的添加)进行更新。
图4示出了根据一个实施例的低压初始化过程的概览。在步骤41，PSE(例如，图1中的PSE 10)导通。在一个示例中，PSU 11通过二极管向PSE调制器开关输入(如图11A所示)提供24VDC。低压被提供给PSE调制器开关输入并且调制器开关在启动占空比时开始切换，从而将低压脉冲功率(低压脉冲)传输到PD(步骤42)。在一个示例中，占空比包括在12ms时段内的8ms(毫秒)导通、4ms关断(66.7％占空比)。PD在步骤43启动。如下面关于图11A所述，PD可以使用12/3.3V内部管理和浮栅电压。PD调制器开关基于在PD处接收到的PSE电压波形与PSE调制器开关同步(步骤45)。这允许PD和PSE在使能高压脉冲功率之前就调制器开关时序达成一致。PD收发器和DSP(数字信号处理器)(如图8(85b、86b)所示)(或MCU(微控制器))开始运行，PD启动PLL(锁相环)或DLL(数字锁定环，延迟锁定环)并使PD调制器开关的导通/关断与PSE电压波形同步。下面参考图10A和图10B描述同步细节。在一个示例中，PD和PSE在PD调制器开关接通时开始通信(步骤44)，直到利用调制断开/接通(在步骤43之后和在步骤45处PD启动PLL并同步调制器之前)。在另一个示例中，PD和PSE收发器在PD/PSE调制器开启时间期间(在步骤45处PD启动PLL并同步调制器之后)开始通信(步骤44)。应当理解，提及调制器开关导通是指闭合的开关(电流传输通过开关)，提及调制器开关关断是指断开的开关(没有电流传输通过开关)。
如果通信可用，PD和PSE可以可选地自动协商调制器开关时序(同步调制器开关)(步骤46)。PSE执行电容测试(步骤47a)和安全测试(步骤47b)。应当理解，电容测试(步骤47a)和安全测试(步骤47b)可以统称为“安全测试”。电容测试的结果可用于调整PSE和PD的调制器脉冲时序，以用于安全测试校准和时序。例如，电容测试的结果可用于识别最小关断时间和高压暴露时间，调整高压暴露时间，并设置安全故障感测级别，如下面关于图7所述。PSE还可以收集该测试期间的传输线参数(例如，电容)。在一个示例中，PSE执行电缆泄漏测试以查看电缆泄漏是否大于指定的电阻值(例如，100kohm)。如果通信不可用，则可以使用静态时序参数。下面参照图7的流程图以及图9A和图9C的电路来描述电缆电容和电击故障测试的其他细节。如果PSE安全测试没有通过，则可以尝试自动重启设置的次数(例如，两次)(步骤42-47b)。如果通过了安全测试，则PSE使能高压操作(步骤48)(例如，≥300VDC)。高于低压启动空载电平(例如，～360VDC)的PD输入电压开启DC/DC负载。然后，PSE和PD可以就电压和负载电流同步达成一致，并且高压脉冲功率操作继续，PSE将高压脉冲功率传输到PD(步骤49)。下面针对图10A中所示的电路来描述附加的同步细节。
图5是根据一个实施例的高压初始化过程的概述。如前所述，例如可以使用高压初始化，同时在不使用上述低压初始化过程的情况下添加新的PD或热切换(热插入)PD替换。高压初始化也可用于简化功率初始化启动过程并降低成本和复杂性，同时提供另一层高压安全来代替低压初始化。在一个或多个实施例中，可在初始化阶段(LV或HV)期间向PSE提供辅助功率以建立PSE调制器开关控制和同步以及通信，这需要开关接通。如下所述，在电缆电容和电击故障测试之后可以是建立调制器开关操作和通信(如果使用的话)的序列，然后同步调制器开关以获得高功率高压脉冲宽度。
在一个或多个实施例中，在受电设备处的调制器开关断开的情况下受电设备接收来自供电设备的高压脉冲功率，当高压脉冲功率的脉冲开启时，在受电设备处耦合隔离的内部管理电压，为受电设备处的内部管理电路供能，并在接收到指定数量的高压脉冲之后接通受电设备处的调制器开关，以利用高压脉冲功率为受电设备供电。
现在参考图5，描述了在到PD负载的高压导通脉冲期间建立通信链路的初始PD内部管理电压和第一PD调制器开关操作。在步骤50，PSE在PD调制器开关断开的情况下向PD发送高压脉冲功率。在一个或多个实施例中，初始PSE高压调制器可以在安全区域的更安全部分(下文参照图6描述)内提供短导通脉冲(即，比正常操作期间使用的脉冲更短)，以增加没有PD内部管理电压且PD调制器开关断开时的安全级别。例如，在调制器开关断开的情况下在PD处接收到的高压功率可以包括短脉冲开启时间(脉冲宽度)，并且一旦接通调制器开关，接收到的高压脉冲功率包括正常操作脉冲开启时间(标称宽度脉冲)。在自动协商期间，当高压脉冲开启时，隔离的内部管理电压耦合到PD侧而不影响电缆电压充电(步骤51)。PSE可以等待多个高压脉冲来自动接通PD调制器开关(步骤52)。PSE检查PD调制器开关是否接通(步骤53)。在一个示例中，PSE在大约40ms内等待三个高压脉冲以自动接通PD调制器开关，直到通过通信链路在高压导通脉冲负载周期结束时它被告知断开。如果PD调制器开关接通，则继续正常操作(步骤54)。否则，电源将关闭，直到尝试重新启动(步骤55)。
图6是示出电流流动持续时间(ms)对体电流(mA)的曲线图60。该曲线图示出了安全区域，在安全区域，通常没有人类感知或几乎没有疼痛，不会产生危险影响。在危险区域，可能会出现可逆的影响，例如肌肉收缩和呼吸系统受损或对人类的严重影响。如曲线图60所示，高压初始化的脉冲调制限制和最大暴露时间保持在安全区域内。在一个或多个实施例中，在不需要任何PD负载要求的高压初始化启动周期期间，较短的高压脉冲是可能的，而不会影响负载功率要求。通过示例中所示的高压暴露时段的更短的高压开启时间和更短的关断时间检测时间以及更少的电击能量，增加更高水平的电击保护是可能的。
如前面关于图4所述，在PSE处使能高压脉冲功率操作之前，可以执行一项或多项安全测试。测试可能包括带有电缆电容测试的安全身体电击保护测试，以及基于测试的校准调整。在一个示例中，PSE安全/电容测试和分析可用于确定脉冲之间的占空比/周期内的最短高压暴露，用于自动协商下一个高压脉冲，其中通过利用在近线性dv/dt区域中的RC时间的前10％(或其他合适的百分比)将已知放电电阻器切换指定时间来对电缆电压垂降进行校准分析，进行针对安全身体电流的准确电容测试和准确电缆电压垂降阈值，如下所述。一个或两个已知电阻器可以在已知的时间内接通，以更快、准确地计算电缆电容。下面描述的电容测试可以仅在初始化或脉冲对脉冲的基础上针对安全测试水平和时间执行，这增加了识别动态电缆电容变化的能力，并提供了大的电缆电压dv/dt垂降电平以用于更容易的同步和时序分析。
图7是用于对插入在PSE和PD之间的电缆进行电容测试的过程的概述。在步骤70，从PSE调制器开关在断开且未加载的电缆上传输已知的高压脉冲。在一个或多个实施例中，电缆电容电压通过已知的放电电阻器负载(例如，100kohm或其他合适的电阻)和RC时间(电阻器/电容电路的时间常数)进行调制以进行放电，以利用垂降的前10％来测量电压放电的时间(步骤71)。对于第一个0.1RC时间间隔，这近似为Δt＝RC的线性关系，如下面关于图9B所述。在此示例中选择100Kohm的最大电阻值作为最大体电阻，用作针对380VDC高压电平下的3.8mA最大身体电流保护的身体电击保护的故障。在此示例中，还选择了10％的垂降电压电平，以在高压脉冲和负载电流关断后获得干净的感测电平而没有噪声。使用长的高电容电缆，感测时间最长，以在给定的占空比内提供更长的感测关断时间和更长的高压开启时间。在此示例中，最大电缆长度可能具有300nF的电容，因此使用100Kohm测试电阻器，达到10％RC时间的时间为3ms，而4ms可用作最大关断时间，并用于以67％的占空比利用8ms高压开启时间来感测余量。然后在最坏的情况下，本示例中的高压暴露时间为11-12ms，以检测身体故障，以锁定切断高压功率或另一个高压脉冲。对于较低的体电阻条件，电流可能更高，最大暴露时间可能相同。出于这个原因，为10％的垂降选择更短的关断时间，对于更短的关断时间和总暴露时间段，电容和电缆长度更短。可以使用其他方法来准确可靠地测量比10％(例如1-2％)更浅的垂降电压，从而缩短关断时间和总暴露时间段。将该值与没有100kohm负载的dv/dt进行比较，以确定电缆两端的附加电阻并确定是否存在故障(步骤72)。在一个示例中，大于100kohm通过测试，小于100kohm表示故障。
如果识别出故障，则进入故障模式直到复位(步骤74)。如果测试通过，则计算电缆电容并将100kohm负载电压阈值设置为故障dv/dt，以在自动协商高压脉冲关断时间期间抑制附加故障(步骤75)。针对100kohm故障dv/dt电压阈值确定最大高压脉冲关断时间(步骤76)。该值优选地包括余量(例如，dv/dt＝10％的故障阈值加上另外5％余量)。为所需功率的开启时间、电缆损耗和RMS(均方根)电流来确定所需占空比(步骤77)。
上述过程可以仅在初始化(低压或高压启动)时执行，或者可以以固定间隔或脉冲对脉冲重复以识别是否已经添加了额外的电缆长度。电缆电容和电击故障测试可以针对在下面描述的多相系统中的每个相执行。应当理解，上述电阻值、余量和放电时间仅是示例，并且可以使用其他值而不背离实施例的范围。下面参照图9A-图9D来描述电容测试的其他细节。
应当理解，图4、图5和图7中所示的过程仅仅是示例，并且可以添加、移除、组合或重新排序一个或多个步骤，而不背离实施例的范围。
现在参考图8，示出了扩展安全功率系统的简化框图。该框图包括用于提供电源和智能控制的供电设备81和包括PON(无源光网络)端点的受电设备82的电路。框83中所示的组件表示单相，并且可以针对多相系统的每个相复制，如下所述。调制器开关84b、84c、84d，感测组件89a、89b和启动功率电路87b可以针对每个电缆对/相位复制。
PSE 81包括隔离的高压源(例如，380VDC)和具有门的调制器开关84a。DSP(数字信号处理器)85a、85b可以包括微控制器或FPGA(现场可编程门阵列)数字控制和软件/固件。PSE和PD处的Tx/Rx 86a、86b代表具有耦合网络的收发器。提供隔离电源87a用于PSE内部管理。提供隔离电源87b用于PD内部管理，具有24VDC输入示例，用于低压初始化和测试。PD 82还包括DC/DC隔离转换器87c，用于从PD(高压脉冲功率操作)示例的输出产生12V/3.3V内部管理电压，输入为60-380VDC。在该示例中，电流感测变压器/霍尔效应传感器(CS/CT)88a、88b包括在PSE和PD处。安全感测电路(Vsense安全)89a和PD同步电压传感器(Vsense同步)89b分别位于PSE和PD中。如图8所示，PSE包括两个PSE调制器开关84b、84c，并且PD包括一个PD调制器开关84d，显示为双向开关，以在高压脉冲关断时间期间完全隔离电缆对，以实现准确电压垂降感测，该电压垂降感测与高压脉冲之间的自动协商安全测试期间的电缆上的体电阻的RC时间成比例。开关可以包括例如固态开关或任何其他合适的器件以提供脉冲功率调制，其在PSE和PD之间同步，如前所述。
图8中所示电路的部分的操作的附加细节在下文针对电缆电容测试(图9A和图9C)、同步(图10A)、低压初始化(图11A和图11C)、低压内部管理(图12A、图12B和图12C)和高压初始化(图13A)描述。
图9A是用于电缆电容和电击故障测试的电路90的简化表示(以上关于图7的流程图描述)。在此示例中，PSE包括电阻器R1a、R1b、R2a、R2b和R3。R3是已知的校准电阻器，在已知时间跨过电缆切换，用于根据dv/dt电压垂降来准确计算电缆电阻和电容。PD包括电容器Cf、电感器LF1和LF2以及二极管D。开关S1a、S1b(PSE调制器开关)和开关S2(测试开关)位于PSE处。PD包括开关S3(PD调制器开关)。电容Ccable代表电缆电容，电感Lcable代表电缆电感，电阻Rcable代表电缆电阻。应当理解，图9A中所示的简化电路仅是示例，并且在不脱离实施例的范围的情况下可以添加、移除或重新布置组件。例如，电阻器R1a和R1b可以位于开关S1a和S1b的右侧(如图9A所示)。
图9B示出了根据第一实施例的时序波形，其中PSE测试开关S2处的针对电缆电流ic(t)和电压vc(t)的一个脉冲、PSE测试开关S2处的电流is2(t)和PD开关S3处的电流is3(t)随着时间跟随图9A中所示的电路中PSE开关S1(图9A中的S1a和S1b，图9B中示为S1)、测试开关S2(图9B中的S2)和PD开关S3(图9B中的S3)的状态变化。波形图还显示了Vin和Ic_peak。如前所述，接通已知电阻器R3以确定电缆电容。在PSE调制器开关S1断开后，电缆处的电压开始下降，由dvc/dt(a-b)表示，这表示由于故障体电阻(Runknown)的泄漏导致电缆垂降。当开关S2闭合时，电压继续下降，如dvc/dt(b-c)所示，它表示来自R3的电缆垂降加上电缆泄漏或体电阻(Runknown)。然后断开开关S2，电缆电压的变化表示因泄漏或故障体电阻(Runknown)导致的电缆垂降。
可以使用智能数字系统来提高准确性和可靠性并最小化关断时间。如之前关于图7所述，PSE调制器可以开启以在断开/未加载电缆上传输脉冲，并且电缆电容电压可以用具有最大体电阻的已知测试电阻器来调制，以提供安全电击保护。然后可以在10％RC时间常数内测试电缆电阻和电容，这对于第一个0.1RC时间近似为dv/V0≈dt/T≈dt/RC的线性关系，其中放电电压dvc来自初始电压V0，实际时间常数T来自e(-t/RC)。然后可以将具有未知泄漏电阻的dv/dt与添加了已知测试电阻的dv/dt进行比较。
图9C和图9D示出了用于执行初始电缆安全和电容测试的另一个示例。图9C是一般用91表示的电路的框图。PSE包括调制器开关S1a、S1b(在图9D中统称为S1)和并联的测试开关S2(图9D中的S2)和S4(图9D中的S4)。PD包括开关S3(图9D中的S3)。与上面关于图9C的描述类似，图9D示出了电缆电流ic(t)和电压vc(t)以及PD开关S3处的电流is3(t)随着时间跟随图9B所示电路中的PSE开关S1、测试开关S2和S4以及PD开关S3的状态变化的时序波形图。还示出了测试开关处的电流is2(t)和is2(t)+is4(t)。在此示例中，两个已知的开关电阻(R2、R4)提供了另一种校准方法，该方法具有更大的dv/dt电压步长，用于信噪比测量，从而更快更准确地测量，允许更少的关断时间占空比和电击暴露的高压周期以提高安全水平。通过两个已知电阻步长，dv/dt差异可用于计算脉冲对脉冲的未知电阻和电缆电容。S2和S4门可以在最初而不是稍后一起操作以获得更快的初始dv/dt斜率，以便更快地检测高压关断时间事件。
应当理解，图9A和图9C中所示的电路、图9B和图9D中所示的波形图以及上述测试计算仅仅是示例，其他电路(例如，开关、电阻器等的组合)可用于测试电缆的安全性和电容。
如前面关于图4的步骤45和46所讨论的，PD使用电缆电压波形初始化来执行与PSE的同步。该过程可以从PD调制器开关接通以进行通信从而控制关断/开启同步开始。然后，PD可以产生PD调制器开关的PLL(或DLL)控制以控制关断/开启同步。PD可以在PSE调制器默认开启时间内的默认时段内最初接通PD调制器开关。调制器开关时序可以根据基于PSE安全/电容测试和分析所做的更改进行修改。在一个或多个实施例中，同步可以包括在PSE调制器高压开关接通之后的时间延迟PD调制器开关接通加载，以及在PSE调制器高压开关关断之前的PD调制器开关关断卸载，如下面关于图23和图24所描述的，以最小化高压关断时段期间电缆电压垂降安全测试时的电缆电压振铃。
图10A示出了用于在初始上电之后使用的简化的同步控制电路100。在门控制101和高压开关102处提供高压控制。PSE调制器开关(开关1和开关2)103耦合到PSE门控制104。如先前关于图8所述，PD包括耦合到PD门控制107的PD调制器开关109和Vsense同步106。PD端点负载在108处示出。如前文关于图4的流程图所描述的，对PD调制器的控制可以在初始上电之后利用脉冲-脉冲关断/开启命令通信来执行(步骤44→45)，或者PD调制器控制可以在没有通信的情况下使用PLL同步来执行(步骤45→44)，或者PD调制器控制可以在没有通信的情况下利用PSE和PD之间已知的默认时序来执行(步骤45→44)。下面针对图10A所示的电路描述三种不同的同步方法的示例。
图10B示出了采用开关转换(PSE门(开关103)、PD门(开关109))和PLL同步(在Vsensne同步106处)的Vccable。电压VCcable在电缆处测量，如图10A所示。PLL(或DLL)同步示出了Vsense同步电路106处的电流。
在第一示例中，PD调制器控制在初始上电之后提供有脉冲-脉冲关断/开启命令通信。PSE调制器控制104以低压(例如，24V)开启而没有脉冲调制。PD调制器控制107开启，直到在除了内部电源管理之外没有负载的情况下它被告知关断为止。然后在PSE和PD之间建立通信链路。PSE调制器103以建立的开启时间和关断时间占空比和频率开始脉冲调制。PSE在调制器开启时间的数据流周期结束时发送关断PD调制器的命令Xms，然后重新开启。关断时间命令可能会在数据流中更早发送并逐脉冲更改，然后发送的最后一个字可能是在指定时间的立即关断命令(知道会有一些关断延迟)。
第二种同步方法提供PD调制器控制和PLL同步而无需通信。当PSE门开关102由于电缆电阻(即中点接地电阻和感测电路)而关断时，Vsense同步电路106感测电缆电容(Ccable)电压波形垂降(VCcable)。Vsense电路106在PSE门开关导通情况下的垂降之后从VCcable正转换产生脉冲(图10B)。Vsense脉冲输入到PLL以产生压控振荡器(VCO)同步脉冲。PLL VCO脉冲形成用于PD门调制器控制的脉冲成形，其根据需要与PSE门开关控制104进行同步。PSE门开关断开情况下的电压波形垂降(VCcable)在图10B中示出。如前所述，当PSE门104开关导通时，VCcable在垂降后具有正转换。
第三种同步方法在PSE和PD调制器之间提供预先建立的默认开启时间。一个或多个实施例利用单次单稳态多谐振荡器(MV)默认脉冲宽度和默认延迟时间来与在PSE调制器脉冲开启时间开始时从电缆电容器电压波形快速上升的dv/dt触发的PSE默认调制器开启时间进行同步。电路可以包括例如微分器电路、偏置平均触发阈值电路和运算放大器。电路还可以包括可调延迟开启105a(例如，默认100μs)和可调单次多谐振荡器105b(例如，默认7.8ns)。在此示例中，PD调制器控制提供有脉冲-脉冲默认开启时间，直到通信期间下一个脉冲的更新的开启时间命令。PSE调制器首先将默认开启时间占空比(例如，8ms)和周期(例如，12ms)脉冲化，以将具有电压波形垂降(Vccable)的相位/对电缆连接到PD Vsense同步电路106。Vsense同步电路106利用具有默认开启时间占空比的PD调制器开关控制所需的延迟脉冲宽度来触发Vccable正转换。在开启时间占空比期间，数据通信可以根据需要来更新或修改同步延迟时间、脉冲宽度和周期，以便与每个下一个脉冲周期的PD调制器开启时间占空比同步。然后可以重复上述步骤。这为来自PSE的导通/关断时间、占空比和频率的动态同步变化提供了脉冲-脉冲变化，并使PD在每个相位/对中保持同步。该序列还确保PSE调制器电压在PD调制器开关导通之前先开启，然后在PSE调制器电压关断之前先断开，以缓解噪声瞬态。
图11A是示出简化的PD初始低压启动电路110的框图。如上文关于图4的流程图所述，用于PD内部电源管理的低压(例如，24V)启动序列可以在PD调制器控制或通信之前执行。如先前关于图10A所述，在门控制111和高压开关112处提供高压控制。PSE调制器开关(开关1和开关2)113耦合到PSE门控制114。PD包括耦合到PD门控制117的PD调制器开关113和Vsense同步116。PD端点负载在118处显示。图11A中所示的电路包括DC/DC内部管理电路120(例如，24V到12/3.3V变压器)(也称为作为本地能量存储装置)。PSE调制器开关119可以在固定时间(例如，100ms)内向电缆和PD DC/DC内部管理电路120提供低压(例如，24V)开启时间用作初始启动功率。PD DC/DC内部管理电路120在此固定时间内启动并操作PSE调制器开关113。然后PSE调制器113开始以建立的开启时间和关断时间占空比和频率来脉冲调制低压(如图11B中PSE门电流所示)。
从PSE门开关接通以操作DC/DC内部管理转换器120用于持续的内部电源管理开始，在电压垂降之后，Vsense电路116从VCcable正转换产生使能脉冲宽度(图11A和图11B)。24V DC/DC转换器向PD电路提供内部电源管理，启动PD调制器开关119和通信，然后使得380VDC高压调制器能够切换到电缆。当高压开启时，OVP(过压保护)电路禁用高于～27VDC的DC/DC转换器。PD可以包括380V高压DC/DC转换器(图8中的87c)用于内部管理，其从24VDC/DC转换器120接管内部电源管理。
图11B示出了在PSE门控制114关断(调制器开关113断开)情况下的电压波形垂降(VCcable)(在PSE处的电缆开始处测量)。PSE门迹线显示了对PSE开关113的调制。DC/DC功率在DC/DC内部管理电路120处测量。如前所述，当PSE门114开关接通时，VCcable在垂降后具有正转换。当PSE门开关接通以操作DC/DC内部管理转换器120用于持续的内部电源管理时，在电压垂降之后，Vsense电路116从VCcable正转换产生使能脉冲宽度。
图11C是用于低压启动的简化电路设计。示出了两个双绞线对，其中针对每对示出了PSE调制器开关113和PD调制器开关119。使能开关112被闭合以用于高压操作(例如，380VDC、>300V、>200VDC)。在一个示例中，低压操作可以小于或等于56V(例如，24V)。PSE包括低压电缆电容和故障测试电路115。在一个或多个实施例中，PD处的低压上电电路被配置为在大约27V以上进行0V关断(具有24V低压操作)以允许在没有隔离电路的情况下进行热切换。可在PD处使用电池来提供替代启动功率，用于初始上电。如前所述，PD包括用于每个线对的低压DC/DC转换器120。下面参照图12A和图12B描述低压内部管理电路的细节。
图12A是示出低压内部电源管理电路121的示例的框图。电路121包括门偏置和控制电路122和开关124(上面关于图11A和图11C进行了描述)，该门偏置和控制电路122具有输入使能1(来自125)、使能2(来自126)和来自PD内部管理(24/12V DC/DC转换器123)的禁用。如图11A和图11C所示，内部管理电路从电缆对接收功率并向PD调制器开关119提供功率。转换器123向PD电路提供内部电源管理，启动PD调制器开关和通信，然后使能高压调制器开关。
图12B示出了简化的低压启动内部电源管理电路127。该电路向具有过压保护的电缆对的PD端提供低压DC/DC自启动内部电源管理，以关断高压MOSFET开关Ml。在一个示例中，电阻器R1、R2、R3、R4、R5和R6可以各自包括1或2Mohm(兆欧)电阻器。例如，二极管D1和开关Q1可以提供高于27V的过压保护。在一个示例中，电容器C1的额定值为100μF。
可以注意到，对于5W的长电缆电阻电压降，启动低压可以从24V增加到56VDC。在一个或多个实施例中，低压可以小于或等于56V，并且高压功率(在PSE处的功率导通脉冲处)和低压功率之间的差可以大于200V(例如，～324V、～368V)。应当理解，这些电压电平仅仅是示例并且可以使用其他电平。低压的额定值优选地防止在低压启动(例如，初始化和同步)期间出现任何安全问题，并且高压的额定值优选地提供足够的功率来为受电设备供电，同时在关断脉冲间隔期间提供安全检查。如下所述，高压功率水平可以基于多相功率系统中的相数，在多相功率系统中，脉冲在相之间彼此偏移。
图12C示出了与图12B中所示的电路127相对应的电路128的框图。在此示例中，电路包括28V门使能、门偏置和DC/DC转换器(例如16V/5W)，用于内部电源管理。
图13A-图13B示出了根据一个实施例的高压启动。如上文关于图5所述，高压启动可用作高压初始化启动，具有短的高压导通脉冲以增加安全保护，或具有正常的高压脉冲以热切换PD，而无需低压初始化过程。高压初始化通过使用短导通脉冲来提供安全操作(在上面关于图6描述的安全区域内)。
首先参考图13A，示出了根据一个实施例的说明简化的初始高压启动电路130的框图。在门控制131和高压开关132处提供高压控制。PSE调制器开关(开关1和开关2)133耦合到PSE门控制134。如前所述，PD包括耦合到PD门控制137的PD调制器开关139，和Vsense同步电路136。PD端点负载显示在138处。图13A中所示的电路130包括高压DC/DC内部管理电路140(例如，380V到12/3.3V DC/DC转换器)代替图11A的低压内部管理电路120。在一个示例中，在PSE调制器开关高压开启时间期间，高压脉冲开启小于8ms，以在保持时间内将输出充电至最小输出内部管理电压，直到下一个高压阶段，如下所述。
PSE调制器开关133以建立的开启时间(例如，8ms)和关断时间(例如，4ms)的占空比和频率开始脉冲调制高压。PD处的DC/DC初始启动电路140在第一高压开启时间周期上供能固定操作时间(例如，6-8ms)。当PSE门接通以操作DC/DC内部管理转换器140用于持续的内部电源管理时，在电压垂降之后，Vsense电路136从VCcable正转换产生使能脉冲宽度(例如，6ms)(图13A和图13B)。高压DC/DC转换器138向PD电路提供内部电源管理，启动PD调制器和通信，然后使高压调制器能够切换到电缆。
图13B示出了在PSE门控制134关断(调制器开关133断开)情况下的电压波形垂降(VCcable)(在PSE处的电缆开始处测量)。PSE门迹线显示对PSE开关133的调制。DC/DC功率在DC/DC内部管理电路140处测量。如前所述，当PSE门134开关接通时，VCcable在垂降后具有正转换。当PSE门开关接通以操作DC/DC内部管理转换器140用于持续的内部电源管理时，在电压垂降之后，Vsense电路136从VCcable正转换产生使能脉冲宽度。
图14是系统140的框图，示出了用于PSE 141和PD 142的简化电路，其中为了安全起见在PSE处包括保护器/短路继电器150。如之前关于图8所描述的，框143中所示的组件表示单相并且可以为多相系统的每个相复制。PSE 141包括隔离的高压源(例如，380VDC)和开关144a和门。PSE和PD处的Tx/Rx 146a、146b代表具有耦合网络的收发器。DSP(数字信号处理器)145a、145b可以是微控制器或FPGA(现场可编程门阵列)数字控制和软件/固件。提供隔离电源147a用于PSE内部管理。提供隔离电源147b用于具有24VDC输入的PD内部管理并且用于低压初始化和测试。提供PD DC/DC隔离转换器147c用于Vout并且用于具有280-380VDC输入的12/3.3V内部管理。电流感测变压器/霍尔效应传感器(CS/CT)148a、148b位于PSE和PD处。安全感测电路(Vsense安全)149a和PD同步电压传感器(Vsense同步)149b分别位于PSE和PD中。如前所述，PSE包括PSE调制器开关144b、144c，并且PD包括PD调制器开关144d。
在图14所示的示例中，短路开关(安全保护器)150安装在PSE 141中以增加高压安全性。短路开关150可以包括例如固态器件(例如，MOSFET)，该器件利用人体电击故障供能以释放电缆电压电荷能量。也可以使用高压继电器。当安装或维护设备时，短路开关150可以由维护人员手动供能(例如，在PSE上的按钮处)作为高压锁定。例如，短路开关可以在断开时通过电缆连接器安全联锁装置来供能。
应当理解，图8、图9A、图9C、图10A、图11A、图11C、图12A、图12B、图12C、图13A和图14中所示的电路和框图仅是示例，并且可以使用组件(例如，电阻器、电容器、二极管、电感器、开关、门、隔离电源、变压器(转换器)或感测电路)、脉冲时序或电压或功率水平的其他布置或组合而不背离实施例的范围。例如，低压脉冲功率可以包括以处于或高于24V、处于或低于56V传输(即，脉冲开启)的功率的脉冲，并且高压脉冲功率可以包括以处于或高于200V、处于或高于380V或任何其他合适的电平传输的功率的脉冲。在一个或多个实施例中，低压和高压功率之间的差至少为170V。
图15-图19示出了扩展安全功率(ESP)系统的简化示例，用于在具有数据光纤对的铜线对上传输功率。如前面提到的和下面描述的，扩展安全功率可以在具有一根或多根光纤的组合电缆上传送，用于数据传送。图15是示出在PSE和PD之间延伸并承载两个双绞线对和光纤的电缆的简化框图。图16是示出在PSE和PD处的用于单个双绞线对的附加功能组件的框图。图17是示出ESP到多个低功率PD端点负载的多点分布的框图。图18和图19显示了简化框图，示出了PSE和PD的输入和输出处的功率和电压电平的示例。
现在参考图15，示出了包括PSE 150的数据和功率传送系统通过组合的功率和数据电缆(例如，光纤供电(PoF)电缆)与向负载153提供功率的PD 152通信的简化示例。在该示例中，电缆154包括两个光纤155(例如，2光纤单模)和两个双绞线对156(例如，铜线)。157处所示的控制数据可以通过光纤155或铜线(双绞线对)156或单独的传输线传送。控制数据可以包括例如隔离开关同步控制数据、调制器开关控制数据、双向控制数据或其他PSE/PD同步数据。双向通信数据也可以通过光纤155或电线156传输。在一个示例中，在高压导通脉冲期间(例如，在高压数据链路上)通过铜线对来提供10MB通信。可以在PSE 150处提供输入功率(例如，AC、HVAC、HVDC、线卡48-56VDC)。电缆154可以包括任何数量的光纤和线或线对，用于通过不同的电缆长度来传送数据和高压脉冲功率。
在一个或多个实施例中，PoE或高压功率(例如，ESP、脉冲功率、多相脉冲功率)可以通过相同的电缆和连接器来传送。根据PSE 150和PD 152的能力，PD可以在一种或多种不同模式下运行。如果PSE 150和PD 152不兼容(即，一个仅配置用于PoE，另一个仅配置用于ESP)，则不会为电路供电。如果PSE 150和PD 152都能够进行ESP操作，则PSE将提供高压脉冲功率，并且PD将使用高压脉冲功率进行操作。在另一个示例中，PSE、PD或PD和PSE两者可以基于最有效的传送模式(例如，使用PD和PSE之间的自动协商)来选择操作模式。
图16示出了根据一个实施例的图15中所示的双绞线对之一的附加细节。PoF(光纤供电)电缆在PSE 160和PD 162之间延伸。在此示例中，PD 162为56VDC负载169(例如，PoE、PON端点、接入点、交换机)供电。在图16所示的简化示例中，电缆包括两根光纤和一个双绞线对。如前所述，电缆可以包括任意数量的线对(例如，N个双绞线对)。在此示例中，系统提供高电阻中点接地以提供电击保护。在一个示例中，中点接地降低了线对地电压(例如，275V线对地、550V线对线；190V线对地、380V线对线)。在一个或多个实施例中，每个传输对的馈入和返回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。如前所述，可以在PSE 160处提供电缆感测。如上所述，系统可以在高压脉冲关断时间内自动协商期间为任何电缆故障状况提供线对地(GFI(接地故障断路器))电击保护和线对线电击保护。一个或多个实施例为到电缆的任何高压路径提供单点故障和冗余。在一个或多个实施例中，系统可以使用12-56VDC低压用于初始启动条件和默认条件，以在使能高压操作之前建立数据链路和安全互锁，如前所述。在一个示例中，在高压导通脉冲期间通过双绞线对提供10MB通信，如收发器168处所示。
图17示出了ESP多点分布到多个低功率端点负载(例如，5G无线电设备或其他设备)的示例。PSE源170通过包括光纤和电线的PoF电缆组件174向多个PD 172传送高功率和数据。在一个或多个实施例中，在电缆174上以至少200V的电压传送多相脉冲功率。在一个示例中，利用550VDC脉冲功率在具有1-10km的数据光纤对的铜线对上提供1-2kW的功率。如前所述，脉冲功率可以包括任意数量的相位。如上所述，系统可以使用24VDC或56VDC低压作为初始启动条件和默认条件，以在使能高压操作之前建立数据链路和安全互锁。在图17所示的示例中，550VDC脉冲功率可以分布到多个低功率PD PON端点负载，例如5G无线电设备。在一个示例中，系统利用效率>70％的380/550VDC扩展安全功率在具有1-10km的数据光纤对的铜线对上提供1-2kW功率。下面参考图29-图40描述以菊花链拓扑(本文也称为混合多/点菊花链拓扑)从PSE 170传输功率到多个下游PD 172。
图18和图19是示出具有在ESP系统的不同部分处的功率输入和输出的示例的简化系统的框图。图18示出了具有两个在插头181处接收115VAC功率的PSU 180的PSE。PSE包括低压/高压控制、PSE调制器、数字控制、安全感测和用于通信的发射器/接收器，如框182所示。PSE通过功率电缆184(例如，14AWG)耦合到PD。在此示例中，PSE处的输出包括380VDC、2000W功率。在此示例中，PD是框186处包括PD调制器、数字控制和收发器/接收器的1400WPON(无源光网络)端点。在此示例中，PDU处的输入为380-280VDC和1474W，并且PSU 188处的输出是50VDC、28A和1400W。
图19示出了包括两个PSU 190和用于如前所述的低压/高压控制、调制和通信的模块192的PSE。PD 196(包括PD调制器、数字控制、收发器/接收器)耦合到包括机架组件198(例如，结构互连、刀片服务器等)的端点。在115VAC插头191处接收功率。在该示例中，PD196向机架组件198提供192-400VDC(1492W)功率。
应当理解，图18和图19的简化框图中所示的功率输入和输出仅是示例并且可以使用其他电压和功率水平，而不背离实施例的范围。此外，电缆可以包括任意数量的电线或光纤，并且系统可以被配置用于单点故障容错，以用于具有N+N或N+1冗余的连续操作。在一个或多个实施例中，可以提供从高压到低压操作的故障保护。
如前所述，脉冲功率系统可以作为多个相(多相)系统操作。本文所述的初始化、同步、测试和故障检测可以在多相系统的每个相上执行。在一个或多个实施例中，脉冲功率系统可以包括如上文引用的申请号为16/380,954的美国专利申请中描述的多相脉冲功率系统。在一个示例中，单导体对电缆被替换为具有两对功率线、母线、功率平面或电缆线对的2相脉冲功率传输系统电缆。例如，一个或多个实施例可以包括具有3线、母线、功率平面或电缆线三态的2相脉冲功率传输系统电缆。多相(三相或更多相)操作可进一步降低每相的RMS电流并有效地提供连续DC电压，而无需庞大的滤波器组件。在一个或多个实施例中，输出和分离接地(例如，中点高电阻接地)的高或有效100％占空比可以提供更高的效率和更低的RMS电流电缆损耗，允许快速和有效的相对地故障检测，允许从有限的电缆额定电压为负载提供更高的电压和功率，并实现具有更低峰值电流的共模系统(单独的接地连接)，以降低EMJ/EMC噪声辐射和敏感场。
在一个或多个实施例中，多相方法允许在10ms窗口内显著的关断时间，例如以验证电缆是否存在短路、开路、未报告的功率损耗(例如，低电流短路)或人为或动物增加的电阻。这种延长的关断时间允许显著提高安全性。多相脉冲功率还允许使用较低的源电压来满足100％的受电设备要求。如前所述，在单相系统中，可能需要使用笨重的滤波器来滤除关断时间，即使如此，高负载下的功率效率/功效约为80％。在更高的占空比和更高的效率下使用多相提供了显著的组件优势，并且还可以提供更高的功率传输和可靠性。例如，三相或多相系统中单相的丢失不会影响受电设备处的100％连续占空比功率功效。如下所述，失去源相前端电路可能不会影响使用冗余功率源的操作。
现在参考图20，示出了根据一个实施例的多节点多相脉冲功率框图。图20所示的简化示例包括向三个或更多个PD(例如，脉冲功率接头/接收器212和节点端点214)传送功率的PSE节点200。在该示例中，脉冲功率接头/接收器212与端点设备214分离，然而，这些节点可以组合。此外，可以有多于一个的节点214连接到脉冲功率接头/接收器212中的一个或多个。
PSE网络设备200包括用于接收输入功率的输入功率接口(例如，在图1A所示的示例中接收功率线209的三个PSU 205)，用于接收输入功率和通过电缆211在多相上向多个受电设备212、214传输DC脉冲功率并在DC脉冲功率中的脉冲关断时间内验证电缆操作的功率控制系统207，以及用于通过电缆211传送多相DC脉冲功率和数据(例如，控制数据、双向通信、在铜线或光纤上)的电缆接口(例如，功率接口208)。
脉冲功率接头/接收器212包括用于从PSE 200接收多相DC脉冲功率和数据的输入电缆接口213a、隔离开关(如下所述)和用于向端点节点214传输功率的接口213b。接口213b可以是例如连接到HVDC电缆222、脉冲功率电缆的接口、或到端点节点的直接接口。接头/接收器212可以沿着脉冲功率电缆系统向一个或多个节点214供应功率。接头/接收器212的大小可以支持单个节点功率，并且可以基于数据链路通信实现用于故障隔离或节点控制的断开。多个相(多相)DC脉冲功率包括至少两相以在端点节点214处提供连续DC电压。在一个或多个实施例中，多相脉冲功率包括至少三相，以在一相丢失的情况下提供连续功率。脉冲功率接头/接收器212中的一个或多个还包括输出电缆接口213c，用于在电缆上将多相DC脉冲功率和数据传输到锥形拓扑(接头节点配置)中的下游接头节点212。
在图20所示的示例中，PSE 200包括三个PSU 205和一个脉冲功率模块206，脉冲功率模块206包括控制系统207和功率接口208。如图20所示，每个PSU 205可以与脉冲功率模块206通过高压轨、PM(功率管理)总线、56V线或它们的任何组合进行功率通信。在一个示例中，每个PSU 205被配置用于1200W功率以提供冗余并允许使用标准15A(安培)功率线/分支电路。在一个示例中，PSE 200可操作以向节点214输送>1500W的总功率。在一个示例中，190V线对地(总共380V)无需进行中间功率转换。
脉冲功率模块控制系统207可以提供例如时序和序列、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。如本文所述，控制系统207可在DC脉冲功率中的脉冲关断时间期间验证电缆操作(例如，验证电缆操作完整性)。脉冲功率模块206可以包括脉冲功率调制器、安全电路、初始化电路、PM总线、PM总线I2C(I2C(内部集成电路))、逻辑、FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理器)、或被配置为执行本文所述的功能的这些或其他组件的任何组合。
如图20的示例所示，PSU 205在电缆209上接收AC功率并在电缆211上传送脉冲功率。在一个或多个实施例中，脉冲功率接头/接收器212可以组合相位并传送高压(HV)DC功率到电缆222上的节点/端点214。在另一个实施例中，脉冲功率接头/接收器212可以将脉冲功率传送到电缆222上的端点214。在一个或多个实施例中，脉冲功率电缆211包括两个或更多个光纤，用于在组合的功率和数据电缆中传输数据，如下所述。在一个示例中，每个分支可能有专用光纤(或多个光纤)。
电缆211内的电线可以包括两个导体、双绞线对(有或没有屏蔽)、同轴或三轴电缆，这取决于EMC考虑因素。可以提供单独的接地导体来解决潜在的共模噪声问题。应当理解，本文使用的术语电线可以指单根电线或一对电线。如下所述，功率系统可以包括任意数量的电线，这些电线可以与光纤或其他通信传输介质捆绑在一起。
通过脉冲功率接头/接收器212(也称为分支接头、智能分支接头、接收器/转换器)向端点214提供功率。在一个或多个实施例中，智能分支接头212允许分支故障隔离。接头/接收器212可以包括例如隔离开关(断开开关)、数据链路和逻辑/时序控制器。接头/接收器212可用于初始化自动协商过程、故障分支隔离算法、功率初始化和故障PD替换。脉冲功率线上的数据链路允许为每个节点214实现智能分支接头212，并允许对每个分支进行独立控制(断开)以进行故障隔离或节点管理。
每个端点214可以包括用于为端点处的设备供电的HVDC PSU。端点214可以包括例如56VDC负载并且可以例如作为PON(无源光网络)端点、5G节点、接入点、路由器、交换机或其他类型的设备来操作。端点214还可以为一个或多个其他节点(例如，PoE节点、IoT(物联网)设备)供电。
应当理解，图20中所示的系统仅是示例，并且该系统可以包括用于提供多相脉冲功率的任何数量的PSU 205(例如，两个或更多个)。图20中所示的网络拓扑和节点仅是示例，并且网络可以包括不同的拓扑和网络设备而不脱离实施例的范围。
多个PSU允许多相操作并且还可以提供冗余。例如，如果在包括三相或更多相的系统中失去一相，则仍可将连续功率传送到PD节点214。每个相的大小优选地设置为提供更高的峰值功率以维持到PD节点214的全功率。可以通过使用N+1个前端功率(FEP)供应来提供进一步的冗余。例如，在1500W总PD功率系统的情况下，三个1200W FEP可以以N+N或N+1的完全冗余为系统供电，其中每个FEP只需要公共的120V、15A馈电。
如图21所示和下文所述，多相脉冲功率包括多个电压脉冲序列，每个电压脉冲序列形成多相脉冲功率的相位。图21示出了例如在图20所示的系统中传送的具有75％占空比和相位缺失的三相脉冲功率电压和电流的示例。示出了理想化的波形，净PD电压和线路电流包括具有来自节点/端点214的恒定功率负载的线路损耗效应。在图21所示的示例中，相B缺失了两个周期。三相电压(A、B和C)(223a、223b、223c)显示为具有自动协商线路感测224。
如图21所示，在脉冲开启时间期间，高压功率从PSE传送到PD，并且在脉冲关断时间期间，当高压功率切断时，可以在每个相上施加低压以在低压感测(在224处表示)中使用以检查电线完整性。
净PD电压在225处显示为三相电压的组合。相应的相电流(A、B、C)(226a、226b、226c)显示在电压下方。与三相电流相对应的净线电流在227处显示。如图21所示，如果失去一相(如相B缺失所示)，仍然向PD节点传送持续功率。每个相的大小可以调整为提供更高的峰值功率，以保持对PD的全功率。
如图21所示，两条或更多条传输线(例如，线或线对)使得能够对每条线(例如，线或线对)上的传导进行定相，使得至少一根线在任何时间都开启。当在PD处进行“或”运算时，结果是连续的DC电压，如225处所示，从而消除了对笨重滤波器组件的需求。在多相系统中的相位重叠期间，总电缆电流在所有开启线之间共享。各个传输线电流按比例减少，从而降低总传输电缆损耗。
在一个或多个实施例中，关断时间可以基于最坏情况电缆长度和特性来固定，或者基于检测到的电缆特性来主动控制(用于更高的效率/更长的范围)。对于每个相的开启时间(功率传送)可以根据总脉冲功率电压和基于适当体电阻数据的电击危险限制来固定。这种方法可用于实现最大脉冲重叠，从而降低电缆RMS电流并最大化电力传输距离(或最小化导线尺寸)。
如前所述，图21中显示了理想化的波形。PSE 200、电缆211和PD接收器212中的电感可以产生电缆电流的某种平均值，从而提高重叠电流并降低脉冲关断时间期间的电流(图20)。这种影响可能因电缆长度和类型(电感)而变化。相电流如图21所示。
如图21所示，每个相彼此偏移(相移占空比)并提供包括导通脉冲和关断脉冲的脉冲功率。关断脉冲可以是小电压(例如，接近0V、3V)，或任何显著小于导通脉冲功率的值(例如，在导通脉冲和关断脉冲的功率水平之间至少有170V差异)。如前所述，可以基于系统设计(例如，相数、传送的功率量)和安全要求来选择导通脉冲时间和关断脉冲时间(脉冲宽度、脉冲占空比)。脉冲占空比也可以在初始化阶段、同步阶段、测试阶段或正常操作之间变化。在一个示例中，启动占空比可以包括12ms时间段内的8ms导通脉冲和4ms关断脉冲。在另一个示例中，在高压初始化期间导通脉冲可能仅为0.5ms或1ms。在一个示例中，关断脉冲可以是1ms，其包括100μs的电阻分析和自动协商时间，如上文引用的申请号为15/971,729的美国专利申请中所描述的。在另一个示例中，可能需要2ms到4ms的关断脉冲(在功率脉冲之间)以在10ms的时间窗口内正确评估环境安全。
在一个或多个实施例中，PSE处的中央控制器可以协调相之间的偏移并且调整脉冲宽度以进行优化(或根据需要在相丢失之后)。脉冲时序的任何变化都会传送到PD以进行同步。
应当理解，图21中所示和上面描述的电流、电压、脉冲宽度、占空比和相位重叠仅是示例并且可以不同于本文所示或描述的。例如，在重叠期间可能有较高的脉冲电流，而在非重叠期间可能有较低的电流。例如，差异可能取决于脉冲功率传输电感和电容(例如，电缆延伸长度或类型)。
如前所述，多相脉冲功率系统可以包括两个或更多个线或线对。应当理解，本文所述的多相系统可以在包括不同数量的线或线对的系统上实现，并且图20和图21中所示的三相系统仅是示例。在不脱离实施例的范围的情况下，脉冲功率系统可以以任何数量的相(例如，二、三、四等)操作。此外，如前所述，电缆可以包括任何数量的光纤或附加铜线用于数据传输。在一个或多个实施例中，电缆还可以承载冷却，如前所述。
图22是根据一个实施例的多相功率系统的简化电路，用于以比传统PoE更高的功率水平传送安全功率。PSE通过带有连接器232(例如，RJ-45或改进的RJ-45)的四对电缆耦合到PD。在一个示例中，56V 2相ESP可用于提供是传统PoE大约一倍半多的电流和功率。在另一个示例中，112V 2相ESP可用于提供是56VDC PoE大约三倍多的电流和功率。在又一个示例中，150V 2相ESP提供的电流和功率大约是56VDC PoE的四倍多。
如前所述，PD和PSE调制器可以在低压或高压初始化期间或在多相系统中的每个相的高功率操作期间同步。在一个或多个实施例中，PSE和PD调制器(控制)开关(如上所述)可以包括时序控制，使得针对每个脉冲，PSE脉冲在PD调制器开关被接通之前被导通，并且PD调制器开关在PSE调制器开关被断开之前被关断，如图23和图24所示。这可用于最小化分配系统上的瞬态，从而降低EMI并产生更清晰的电流波形，以实现更准确的电流检测。
图23和图24示出了根据一个实施例的四相系统中的简化电压波形和相电流。图23示出了四相75％占空比操作。电压脉冲显示在相A的264a、相B的264b、相C的264c和相D的264d处。累积相电流显示在266处。如图23所示，在脉冲开始时和脉冲结束的间隔期间，PSE开关驱动在PD开关驱动之前接通，PD开关驱动对于每个相在PSE开关驱动之前断开。
图24示出了具有一个缺失相(相B)的操作。电压脉冲显示在相A的274a、相C的274c和相D的274d处。累积相电流显示在276处。从图24可以看出，通过调整三个功能相的相对时间，即使失去相B，仍然提供连续功率。
如先前关于图1、图17和图20所讨论的，PSE和PD可以在包括各种拓扑(PSE和PD的数量和布置)的网络中进行通信。本文所述的扩展安全功率(ESP)系统可以包括例如点对点拓扑、菊花链拓扑、多点拓扑、混合多点/菊花链拓扑或其任意组合中的一个或多个PSE节点和一个或多个PD节点。
图25是示出点对点拓扑中的ESP PSE节点280与ESP PD节点282进行通信的简化框图。PSE节点280包括PSE隔离开关284并且PD节点包括通过传输线288进行通信的PD隔离开关286。隔离开关284、286在初始化、同步和测试期间隔离设备，如下所述。点对点拓扑显示在上面关于图8-图16和图18-图19描述的简化电路中。
图26是示出通过第一传输线288a与PD 282a通信的PSE 280a的简化框图。PD 282a还通过内部总线290与下游PSE节点280b通信。PSE节点280b通过第二传输线288b向另一个PD 282b传送功率。PD 282a和PSE 280b可以位于同一网络设备处并通过内部总线290耦合。第一PSE 280a与第一PD 282a执行初始化、同步和安全测试。第二PSE 280b与第二PD 282b执行初始化、同步和安全测试。
图27示出了多点拓扑的示例。PSE 280通过传输线288与两个PD282a、282b通信。PSE 280包括隔离开关284并且每个PD包括其自己的隔离开关286a、286b。
图28示出了根据一个实施例的混合多点/菊花链拓扑。PSE 280和PSE隔离开关284通过传输线288a耦合到第一PD 282a。PD 282a包括本地隔离开关286a和输出隔离开关300a，输出隔离开关300a可以通过传输线288b与下游PD 282b通信。如下文详细描述的，PSE280执行安全检查并通过本地隔离开关286a与第一PD 282a同步。当第二PD 282b连接到网络时，该PD执行与第一PD 282a的初始化和同步，并在通过安全检查后，通过传输线288b经过第一受电设备282a处的输出隔离开关300a接收高压脉冲功率。这种安排为PSE提供了一条传输线，以像在多点情况下一样进行监视，其中就像在菊花链情况下一样由PD控制下游注册，但使用PSE功能的子集。
根据一个实施例，下面关于图29-图40描述混合多点/菊花链拓扑(图28)中的PSE和PD的初始化过程的细节。如下所述，由于PD内的功能允许其在内部执行通常由PSE执行的功能(例如，低压初始化)，因此PSE和PD节点在混合多点菊花链拓扑中运行。然而，从网络设备拓扑的角度来看(即仅查看外部网络设备和链路)，PSE和PD形成菊花链拓扑(传输线穿过第一PD并直接到达第二PD)。
应当理解，虽然出于简化的目的，图25-图40仅示出了单个相并且下面描述的初始化过程是针对单个相的，但是本文描述的过程可以针对多相系统中的每个相重复。例如，传输线288可以包括用于多相操作的多个线对，并且可以针对多相系统中的每个相来执行本文描述的过程。
在一个或多个实施例中，与供电设备320通信的第一受电设备322a识别与第一受电设备通信的第二受电设备322b，同时第一受电设备从供电设备接收高压脉冲功率(图37)。第一受电设备322a在接收高压脉冲功率之前先与供电设备执行(第一)低压初始化(图30-图36)。第一受电设备322a向供电设备320通知第二受电设备322b并且在将高压脉冲功率传递给第二受电设备322b之前与第二受电设备执行低压功率初始化(图37-图40)。
现在参考图29，示出了混合多点/菊花链拓扑的框图。在该示例中，PSE 320连接到第一PD 322a，第一PD 322a连接到第二PD 322b。PSE 320包括收发器326、高压源328、低压源330和与输出隔离开关332通信的传输线监视器334。每个PD 322a、322b包括上游检测信令336a、336b，自举电源338a、338b(例如，上述内部电源管理电路)、以及与本地隔离开关340a、340b通信的收发器342a、342b。每个PD 322a、322b还包括与设备负载输出346a、346b通信的高压接收器344a、344b。第一PD 322a包括用于与第二PD 322b通信的输出隔离开关348a。在该示例中，第二PD 322b还包括输出隔离开关348b，用于向另一个下游PD(使用下游设备检测器350b)提供功率和数据，然而，PD 322b也可以被配置为没有输出隔离开关和下游检测器以用于作为没有传递通过能力的端点进行操作。在图29所示的示例中，在PSE处的隔离开关处于断开位置的情况下，PSE 320和PD节点322a、322b都处于断电状态。
图30示出了第一PD 322a的PSE检测和传输线发现。在此示例中，PSE上电(输出隔离开关332闭合)并开始发送低压脉冲功率(低压检测脉冲串)并收集传输线参数(例如，电容)。如前所述，PSE 320可以对PSE和PD之间的电缆执行电容测试。
图31示出了第一PD 322a开始上电。PD 322a通过对本地能量存储装置(自举电源338a)进行充电而上电，这为PD控制器上电。
图32示出了PD训练阶段。PD 322a从PSE的低压脉冲串(低压脉冲功率的波形333)中恢复时序参数(频率、相位)，并将其用于PD隔离开关门驱动波形，以同步PSE和PD调制器开关(如上关于图4所述)。
图33示出了PD 322a的识别阶段。如上游检测信令模块336a所示，PD 322a可以在接收低压脉冲串的同时通过负载电流的调制来发送识别数据。识别数据在PSE 320处的传输线监视器334处接收。
图34示出了最终PSE安全检查，其中PSE 320在断开低压源330之后隔离传输线。
如图35所示，在PSE 320处使能高压操作。PSE 320从低压源330处的PD门驱动低压脉冲串切换到高压源328处的高压脉冲串，而没有频率或相位切换。PSE 320处的高压源328现在通过输出隔离开关332连接到传输线，并且高压脉冲功率通过第一PD 322a处的本地隔离开关340a传输到高压接收器344a。
图36示出了PSE-PD通信链路建立。PSE 320处的收发器326与PD 322a在收发器342a处建立通信。PSE 320和PD 322a使用通信链路继续协商、设置功率限制、发送遥测等。
图37示出了第一PD 322a处对第二PD 322b的下游检测。如前所述，第一PD 322a已经通过使用其本地隔离开关340a执行了与PSE 320的第一低功率电压初始化，并且现在正在该本地隔离开关处接收高压脉冲功率。第一PD 322a检测传入PD(第二PD)322b并随后向PSE 320通知传入PD(第二PD)322b。由于线路电容变化，PD 322a还可以通知PSE 320任何必要的时序调整。如果有任何时序变化，则PSE 320和PD 322a可以根据需要重新同步。然后为PD 322b执行下游设备分类和同步。第一PD 322a使用第一PD控制器内部的降低的PSE能力与第二PD 322b执行低压同步和分类操作。在第二PD 322b处接收到的低压功率用于为自举电源338b充电并为PD控制器上电(上游检测信令336b)。
图38示出了下游设备安全检查。第一PD 322a处的输出隔离开关348a闭合并且针对到第二PD 322b处的隔离开关340b、348b的整个传输线在PSE 320处执行安全检查。
如图39所示，如果安全检查通过，则高压脉冲功率通过第一PD 322a被传输到第二PD 322b处的高压接收器344b，并且高压脉冲功率的传送利用添加的节点继续。
如图40所示，在第二PD 322b处建立通信链路。收发器326、342a、342b在所有三个节点(PSE 320、PD 322a、PD 322b)之间链接起来，并且系统达到稳定状态。
如前所述，可以针对多相脉冲功率执行上述过程，其中针对每个相执行同步和检查。此外，网络可以包括任何拓扑中的任何数量的节点，其中一个或多个终端节点被配置用于脉冲功率操作，一个或多个节点被配置用于脉冲功率或PoE，以及一个或多个端点被配置仅用于PoE。此外，PD中的一个或多个可以包括作为用于下游节点的PSE进行操作的能力，如图26所示。
尽管已经根据所示实施例描述了方法和装置，但是本领域普通技术人员将容易地认识到，在不脱离实施例的范围的情况下可以对实施例做出变化。因此，旨在将上述描述中包含的和附图中所示的所有内容解释为说明性的而不是限制性的。

Claims (32)

1.一种方法，包括：
在与供电设备通信的第一受电设备处识别与所述第一受电设备通信的第二受电设备，其中，所述第一受电设备正在从所述供电设备接收高压脉冲功率；
在所述第一受电设备处向所述供电设备通知所述第二受电设备；以及
在将所述高压脉冲功率传递给所述第二受电设备之前，在所述第一受电设备处执行与所述第二受电设备的低压功率初始化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一受电设备包括：
本地隔离开关，用于在所述第一受电设备启动时与所述供电设备的第一低压脉冲功率初始化，并用于接收来自所述供电设备的所述高压脉冲功率；以及
输出隔离开关，用于与所述第二受电设备的所述低压功率初始化，并用于将所述高压脉冲功率传递给所述第二受电设备。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述高压脉冲功率包括以60伏或高于60伏传输的功率脉冲。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述供电设备执行与所述第二受电设备的安全检查。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述向所述供电设备通知所述第二受电设备包括基于由于所述第二受电设备引起的线路电容变化来传送时序调整。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，针对多相脉冲功率系统中的每个相重复所述低压功率初始化，在所述多相脉冲功率系统中，脉冲在相之间彼此偏移。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述第一受电设备和所述第二受电设备中的一个被配置为针对至少一个下游设备作为另一个供电设备节点来操作。
8.一种方法，包括：
从供电设备向受电设备传输低压脉冲功率；
执行安全测试；
在通过所述安全测试后，在所述供电设备处使能高压脉冲功率操作；以及
从所述供电设备向所述受电设备传输高压脉冲功率；
其中，所述受电设备与所述低压脉冲功率的波形同步。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述受电设备处的调制器开关与所述供电设备处的调制器开关同步。
10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：在所述受电设备处的调制器开关被接通之后与所述受电设备通信。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述低压脉冲功率包括以60伏或低于60伏传输的功率脉冲。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述低压脉冲功率和所述高压脉冲功率之间的差为至少170伏。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，还包括：与所述受电设备处的收发器建立通信链路并且与所述受电设备协商功率水平。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，还包括：针对多相脉冲功率系统的每个相重复所述传输低压脉冲功率和所述执行安全测试，在所述多相脉冲功率系统中，脉冲在相之间彼此偏移。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，其中，所述安全测试包括电缆电容和电击故障测试。
16.根据权利要求8至15中任一项所述的方法，其中，所述安全测试包括电容测试，并且还包括基于所述电容测试识别所述高压脉冲功率的高压脉冲之间的最小关断时间。
17.根据权利要求8至16中任一项所述的方法，还包括：将所述高压脉冲功率传输到与所述受电设备通信的第二受电设备。
18.根据权利要求8至17中任一项所述的方法，其中，执行所述安全测试包括：
调制电缆电容电压并测量放电时间；
基于计算出的电缆电容来设置负载电压阈值；以及
确定高压脉冲功率占空比。
19.根据权利要求8至18中任一项所述的方法，其中，所述供电设备包括手动操作的短路开关以防止在维护期间传输所述高压脉冲功率。
20.一种方法，包括：
在受电设备处接收来自供电设备的低压脉冲功率；
将所述受电设备与从所述供电设备接收的所述低压脉冲功率的波形同步；以及
使用从所述供电设备接收的高压脉冲功率来操作所述受电设备。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：在接收所述高压脉冲功率之前，启动所述受电设备处的收发器用于与所述供电设备通信。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，将所述受电设备同步包括：将所述受电设备同步使得在所述受电设备处的调制器开关被接通之前接通所述供电设备处的调制器开关，并且在所述供电设备处的调制器开关被关断之前关断所述受电设备处的调制器开关。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，还包括：在接收所述低压脉冲功率之前的固定时间段内，在接收到来自所述供电设备的低压功率时启动内部管理电路。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，还包括：在接收到所述高压脉冲功率时禁用低压内部管理电路，并且操作用于高压内部电源管理的高压内部管理电路。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，还包括：针对多相脉冲功率系统的每个相重复所述接收低压脉冲功率和所述同步，在所述多相脉冲功率系统中，脉冲在相之间彼此偏移。
26.一种方法，包括：
在调制器开关断开的受电设备处接收来自供电设备的高压脉冲功率；
当所述高压脉冲功率的脉冲开启时，在所述受电设备处耦合隔离电压；
为所述受电设备处的内部管理电路供能；以及
在接收到指定数量的高压脉冲之后，接通所述受电设备处的调制器开关，以利用所述高压脉冲功率为所述受电设备供电。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述供电设备检查所述受电设备处的调制器开关的正常操作，并且如果未确认正常操作，则关断所述高压脉冲功率。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，在接收所述高压脉冲功率之前，将所述受电设备热切换到包括所述供电设备的网络中。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的方法，其中，在所述调制器开关断开的情况下接收的所述高压脉冲功率包括短脉冲开启时间，并且其中，在所述调制器开关被接通之后接收的所述高压脉冲功率包括正常操作脉冲开启时间。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，还包括：将所述调制器开关的时序与供电设备调制器开关同步。
31.一种装置，包括：用于实现任一前述权利要求的方法的步骤的设备。
32.一种计算机程序、计算机程序产品或计算机可读介质，包括指令，所述指令在由计算机执行时，使得所述计算机执行根据权利要求1至30中任一项所述的方法的步骤。
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