CN115552384A - 至具有动态多路复用电源的以太网适配器的usb/雷雳接口 - Google Patents

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CN115552384A CN202180004756.1A CN202180004756A CN115552384A CN 115552384 A CN115552384 A CN 115552384A CN 202180004756 A CN202180004756 A CN 202180004756A CN 115552384 A CN115552384 A CN 115552384A
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Abstract

提供了用于将USB、Thunderbolt和类似连接适配到具有动态多路复用电源的以太网连接的装置。本申请的装置适用于从主机计算机的USB、Thunderbolt或类似连接经由其以太网端口连接外围设备并为其供电。电源多路复用器与电流检测电路和PoE使能逻辑块结合使用，以提供和调节来自包括外部直流电流和来自主机计算机的USB或Thunderbolt连接的多个电源的动态多路复用电源。

Description

至具有动态多路复用电源的以太网适配器的USB/雷雳接口
技术领域
本申请总体上涉及将USB、Thunderbolt(雷雳接口)和类似连接适配到具有电源的以太网连接。具体地，本申请涉及用于从所连接的计算机的USB、Thunderbolt或类似端口经由其以太网端口连接外围设备并为其供电的系统和解决方案。更具体地，本申请涉及将USB、Thunderbolt或类似连接适配到具有动态多路复用电源的以太网连接的装置。
背景技术
在现代企业和消费电子产品中，诸如高分辨率摄像头和IoT(“物联网”)设备这样的高速外围设备通常依靠标准以太网连接来连接到它们的主机计算机。例如，远程会议室或其他智能房间、智能家居和智慧城市应用配备了包括智能摄像头、麦克风、扬声器在内的智能外设或传感器。这些智能外设与房间内或网络上的中央主机计算机之间的快速连接至关重要。稳定和稳健电源选项也是对于通过主机计算机操作这些智能外设，从而支持系统或网络中的数据集成和处理是必不可少的。以太网通常用于局域网，并且非常适合支持这些设置中的智能外设。以太网还扩展到通过以太网供电，例如通过使用PoE(“通过以太网供电”)电源供电器(injector)或PoE交换机来供电。
然而，大多数主机计算机如果有的话也只有一个用于连接到局域网的以太网连接。它们不具有用于连接至以太网外设的辅助以太网端口，且如果它们有，该连接也不会通过以太网供电。相反，主机计算机通常配备一个或多个USB、USB-C或Thunderbolt连接。另一方面，随着智能外设上的连接接口或端口的地盘越来越稀缺，如果这些外围设备在连接到它们的主机计算机时可通过它们的标准以太网连接来被供电，则是有利的。
因此，需要在智能会议室、智能家居、智慧城市或其他应用平台中支持智能外设或IoT装置及其主机计算机，而无需添加诸如PoE交换机、电源供电器这样的复杂或昂贵的基础设施，或安装额外的缆线。具体地，需要可提供从主机计算机到外围设备的以太网连接并且同时通过相同的以太网连接向外围设备提供稳定且稳健的电源的设备和解决方案。
发明内容
因此，本申请的一个目的是提供用于通过以太网连接将USB、Thunderbolt和相关连接适配到以具有装置内电源的以太网连接的装置和解决方案。
特别地，根据本申请，在一个实施例中，提供了一种将USB连接适配到具有动态多路复用电源的以太网连接的装置。该装置包括USB-C连接器，其能够连接到计算机的USB端口；以太网连接器，其能够连接到外围设备的以太网端口；数据流电路，其适用于在USB-C连接器和以太网连接器之间传输数据，以及电源电路，其适用于从多个电源向以太网连接器提供动态多路电源。数据流电路按顺序包括USB PHY(“物理层”)、以太网MAC(“媒体访问控制”)、以太网PHY和磁性层。USB PHY连接到USB-C连接器。磁性层连接到以太网连接器。多种电源包括直流电源插口和来自USB-C连接器的VBUS。电源电路包括电源多路复用器，该电源多路复用器适用于从多种电源接收电力并将电力传输到以太网供电电源装置(PoE PSE)控制器。PoE PSE控制器连接到磁性层，从而向磁性层传输电力。磁性层适用于将PoE传送到与数据耦合的以太网连接器。
在另一个实施例中，电源多路复用器适于将直流电流和VBUS之一输出到PoE PSE控制器。在又一实施例中，电源多路复用器适于将直流电流和VBUS两者输出到PoE PSE控制器。在进一步的实施例中，直流电流在电力输出中被优先考虑。
根据另一实施例，电源电路还包括在电源多路复用器下游的直流-直流(“DC-DC”)升压转换器。DC-DC升压转换器是适于在电源电路中的电压输出到PoE PSE控制器之前将其增加。在又一个实施例中，DC-DC升压转换器是隔离式DC-DC升压转换器。
在进一步的实施例中，电源电路还包括位于USB连接器下游的USB PD(“电力输送”)控制器并且适于向电源多路复用器输出电压。
在另一个实施例中，电源电路还包括在电源多路复用器上游且USB-PD控制器下游的负载保护电路。负载保护电路适用于提供USB负载保护。在又一个实施例中，负载保护电路是电子熔丝(“eFuse”)。
在进一步的实施例中，电源电路还包括电流检测电路，其适于检测DC-DC升压转换器上游的电流大小并且提供指示是否存在足够的电流大小的信号。在另一个实施例中，信号是在设备外部可见的多色LED灯。预定颜色被指定以指示足够的电流大小。在又一实施例中，该信号是显示给通过USB端口连接的计算机的通知。
根据进一步的实施例，电源电路还包括在电流检测电路下游的PoE使能逻辑块。PoE使能逻辑块适于在检测到足够的电流大小时激活DC-DC升压转换器并启用PoE PSE控制器。在另一个实施例中，PoE使能逻辑块适于在没有检测到足够的电流大小时停用DC-DC升压转换器并禁用PoE PSE控制器。在本实施例中，以太网连接器适于传输从电源解耦的数据。
在又一个实施例中，电源电路还包括在DC电源插口下游且电源多路复用器上游的反极性保护电路。反极性保护电路适用于提供保护免于反极性和过压。
根据本申请，在另一个实施例中，提供了一种将Thunderbolt连接适配到具有动态多路复用电源的以太网连接的装置。该装置包括Thunderbolt连接器，其能够连接到计算机的Thunderbolt端口；以太网连接器，其能够连接到外围设备的以太网端口；数据流电路，其适用于在Thunderbolt连接器和以太网连接器之间传输数据；以及电源电路，其适用于从多个电源向以太网连接器提供动态多路电源。数据流电路按顺序包括Thunderbolt PHY、以太网MAC、以太网PHY和磁性层。Thunderbolt PHY连接到Thunderbolt连接器。磁性层连接到以太网连接器。多个电源包括直流电源插口和来自Thunderbolt连接器的电压。电源电路包括电源多路复用器，该电源多路复用器适用于从多个电源接收电力并将电力传送到PoE PSE控制器。PoE PSE控制器连接到磁性层，从而向磁性层传输电力。磁性层适于将PoE传送到与数据耦合的以太网连接器。
在另一个实施例中，电源多路复用器适于输出直流电流和来自Thunderbolt连接器的电压中的一个。在又一实施例中，电源多路复用器适于输出直流电流和来自Thunderbolt连接器的电压两者。
在进一步的实施例中，电源电路还包括在电源多路复用器下游的DC-DC升压转换器。DC-DC升压转换器适于在电源电路中的电压输出到PoE PSE控制器之前将其增加。
在另一个实施例中，电源电路还包括电流检测电路，其适于检测DC-DC升压转换器上游的电流大小并且提供指示是否存在足够的电流大小的信号。在又一个实施例中，信号是在设备外部可见的多色LED灯。预定颜色被指定以指示足够的电流大小。在进一步的实施例中，该信号是给通过Thunderbolt端口连接的计算机显示的通知。
在另一个实施例中，电源电路还包括在电流检测电路下游的PoE使能逻辑块。PoE使能逻辑块适于在检测到足够的电流大小时激活DC-DC升压转换器并启用PoE PSE控制器。
附图说明
图1描绘了根据一个实施例的设备100，其经由其以太网端口连接到外围设备102并且经由其USB/Thunderbolt端口连接到个人计算机101。
图2描绘了根据一个实施例的至以太网适配器的USB的电源电路和数据流电路。
图3描绘了根据一个实施例的至以太网适配器的Thunderbolt电源电路和数据流电路。
具体实施方式
在各种实施例中，本申请的装置适于采用PoE电力注入基于动态多路复用供电将USB/Thunderbolt结合到以太网控制器。电源来自外部DC电源输入和/或通过USB、Thunderbolt或类似连接而来自主机计算机。
参照图1，根据本申请的一个实施例的适配器装置100经由其以太网端口连接到外围设备102并且经由其USB/Thunderbolt端口连接到个人计算机(PC)101。在本实施例中，外围设备102为智能摄像头，且PC为用于智能摄像头的主机计算机。适配器装置100连接到辅助电源，在一个实施例中，该辅助电源提供直流电流。在各种实施例中，适配器装置100从连接到主机PC 101的USB或Thunderbolt连接获取其电力。因此，智能摄像头102通过适配器装置100在其以太网端口与主机PC 101的USB或Thunderbolt端口之间保持高速数据连接。同时，智能摄像头102通过相同的以太网连接通过适配器装置100供电。在本申请的各种实施例中，外围设备102可以是任何PoE被启用的外围设备，并且主机PC 101可以是相同空间或网络上的任何连接的计算机。
数据流和电源电路
本申请的示例性设备包括数据流电路和电源电路。参考图2，在一个实施例中，数据流电路支持USB-C连接器201和以太网连接器206之间的数据传输。按照顺序，数据流电路包括USB PHY 209、以太网MAC 210、以太网PHY 211和磁性层212。在数据流电路的两端即在USB-C连接器201和以太网连接器206发送和接收数据。
类似地，参见图3，在另一个实施例中，数据流电路支持Thunderbolt连接器301和以太网连接器306之间的数据传输。按顺序，该实施例中的数据流电路包括ThunderboltPHY 309、以太网MAC 310、以太网PHY 311和磁性层312。在数据流电路的两端即在Thunderbolt连接器301和以太网连接器306发送和接收数据。
电源电路支持从包括直流电源、USB-C、Thunderbolt和各种实施例中的类似连接在内的多个电源到以太网连接器的动态多路复用供电。参考图2，在一个实施例中，电源电路包括将直流电流传送到电源电路中的DC电源插口202和将VBUS电压传送到电源电路中的USB-C连接器201。在本实施例中，电源电路包括电源多路复用器(“Power MUX”)203，其分别接收来自USB-C连接器201和DC电源插口202的VBUS电压和DC输入。电源多路复用器203的上游是连接到DC电源插口202的反极性保护电路221和连接到USB-C连接器201的负载保护电路222。反极性保护221提供保护免于反极性和可从DC电源插口202传输的过电流/电压。负载保护电路222提供保护，免于从USB-C连接器201传送的VBUS电压中的过载。在一个实施例中，负载保护电路222是eFuse装置。eFuse装置确保符合USB标准负载规格。在替代实施例中，USB-PD控制器被包含在USB-C连接器下游且负载保护电路上游的电源电路222中。在这些替代实施例中，USB PD和类似技术通过电源电路中的USB接口提供增加的电力输送。
在电源多路复用器203的下游，按顺序电源电路包括DC-DC升压转换器204、PoEPSE控制器205和磁性层212。在一些实施例中，DC-DC电压升压转换器是隔离式DC-DC升压转换器。DC-DC升压转换器从电源多路复用器203接收VBUS和/或DC并将增加的电压(和电流)传送到PoE PSE控制器205。PoE PSE控制器205向磁性层212输出PoE电压，磁性层212继而将PoE传送到与在磁性层212和以太网连接器206之间承载和传输的数据耦合的以太网连接器206。
参考图3，在另一个实施例中，电源电路包括DC电源插口302，其将直流电流输送到电源电路中，以及Thunderbolt连接器301，其将Thunderbolt电压(“T电压”)输送到电源电路。在本实施例中，电源电路包括电源多路复用器(“电力MUX”)303，其分别接收来自Thunderbolt连接器301和DC电源插口302的T电压和DC输入。电源多路复用器303的上游是连接到DC电源插口302的反极性保护电路321和连接到Thunderbolt连接器301的负载保护电路322。反极性保护321提供保护免于可从DC电源插口302传送的反极性和过电流/电压。负载保护电路322提供保护免于从Thunderbolt连接器301传送的T电压过载，并确保符合Thunderbolt标准负载规范。
在电源多路复用器303的下游，电源电路依次包括DC-DC升压转换器304、PoE PSE控制器305和磁性层312。在一些实施例中，DC-DC电压升压转换器是隔离式DC-DC升压转换器。DC-DC升压转换器从电源多路复用器303接收T电压和/或DC并将增加的电压(和电流)传送到PoE PSE控制器305。PoE PSE控制器305向磁体层312输出PoE电压，磁体层312继而将PoE传送到与在磁性层312和以太网连接器306之间承载和传输的数据耦合的以太网连接器306。
动态多路复用电源
如上所述，在各种实施例中，电源多路复用器被用于在DC电源和USB VBUS或Thunderbolt电压之间选择和调节电源。在一个实施例中，DC和USB/Thunderbolt电源两者同时连接。电源多路复用器基于电源电路中的负载变化动态地调节电源，并且对来自通过其USB或Thunderbolt端口而连接的主机计算机101的输入敏感。在另一个实施例中，如果在DC线路上提供的电压处于足够为外围设备102供电的大小，则电源多路复用器优先考虑DC电源插口202和302。在另一个实施例中，如果其中一个电源被终止或从电源电路中移除则电源多路复用器在DC电源和USBVBUS或Thunderbolt电压之间切换。因此，通过动态多路复用电源，本申请的适配器装置100保持外围设备102在其网络上被供电并连接至其主机计算机101。
对于本申请的示例性设备，包括USB PD的电源电路最大可承载5V、9V、12V或15V的电压以及3A或5A的电流。根据USB标准，USB-C VBUS可承载最小4.75V和最大5.25V的电压，以及最大3A的电流。在一个实施例中，电源电路上的PoE(802.3af/802.3at类型1)可在37到57V的范围内，最大电流高至0.35A。
电流检测电路和PoE使能逻辑
本申请的另一实施例中的适配器装置100包括电流检测电路231和331，其适于检测是否有足够的电力可用以启用DC-DC升压转换器204和304以及PoE PSE控制器205和305。如果在足够的电流/电压大小下检测到DC电力(DC power)，则电流检测电路向用户提供电力可用于启用PoE PSE电路的通知。如果在电源电路上提供USB VBUS或Thunderbolt电压，则电流检测电路231或331从USB主机或Thunderbolt主机读取传输的电流。如果检测到USB或Thunderbolt主机电流处于足够大小，则会向提供用户当前电力大小足以启用PoE PSE电路的通知。
在一个实施例中，用户通知是在适配器装置100的外部可见的LED灯。如果检测到足够的电流大小，则启用并打开灯。在另一个实施例中，LED灯是多色的，并且如果检测到足够的电流大小，则显示诸如绿色这样的预定颜色。可指定不同的颜色诸如红色，以信号表示没有检测到足够的电流大小。在替代实施例中，通知信号是通过其USB或Thunderbolt端口传送到所连接的主机计算机101上的驱动程序或应用程序并显示给主机计算机101的用户的消息。
在进一步的实施例中，电源电路包括分别在电流检测电路231和331下游的PoE使能逻辑块232和332，由此DC-DC升压转换器204和304被激活并且当检测到足够的电流大小时启用PoE PSE控制器205和305。在一个实施例中，DC-DC升压转换器204和304是隔离式DC-DC升压转换器。
如果没有从DC电源、USB VBUS或Thunderbolt电压检测到足够的电流大小，则电流检测电路231和331显示可用电源不足的用户通知，并且PoE使能逻辑块232和332停用DC-DC升压转换器204和304并禁用PoE PSE控制器205和305。在该实施例中，以太网连接器206和306适于发送或接收从电源解耦的数据。
根据某些实施例，使用集成电路作为适配器装置100中的硬件来实现电流检测电路和PoE使能逻辑块。在替代实施例中，使用微控制器、处理器、FPGA(“现场可编程门阵列”)或CPLD(“复杂可编程逻辑器件”)在软件中实现电流检测电路和PoE使能逻辑块。在本实施例中，输入信号可由微控制器读取，并且组合逻辑实现在软件中，其中来自微控制器的硬件信号启用PoE。根据此实施例，使用微控制器，可为适配器装置100启用进一步的监视和通知。例如，温度测量、PoE输出功率消耗、PoE输出电压电平、PoE已启用的时间量、链接到外围设备102的以太网连接的速度是可被跟踪并传回USB或Thunderbolt主机101的状态参数中一部分。在此实施例中，这些参数可用于主机计算机101上的应用程序中，以能够通知用户并进一步管理和调节适配器装置100中的电源电路。
包括附图和示例的各种实施例的描述，是为了举例说明且并不限制本发明及其各种实施例。

Claims (23)

1.一种将USB连接适配到具有动态多路复用电源的以太网连接的装置，包括：
USB-C连接器，其能够连接到计算机的USB端口；
以太网连接器，其能够连接到外围设备的以太网端口；
数据流电路，其适用于在所述USB-C连接器和所述以太网连接器之间传输数据，所述数据流电路包括连接到以太网MAC的USB PHY，所述以太网MAC连接到以太网PHY，所述以太网PHY进一步连接到磁性层；及
电源电路，其适于从多个电源向所述以太网连接器提供动态多路复用电源，所述多个电源包括直接电路电源插口和来自所述USB-C连接器的VBUS，其中所述电源电路包括电源多路复用器，其适用于从多个电源接收电力并将电力传输给以太网供电电源装置(PoEPSE)控制器，其中PoE PSE控制器连接到所述磁性层，从而将电力传输到所述磁性层，并且其中所述磁性层适用于向与数据耦合的以太网连接器提供PoE。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电源多路复用器适于将所述直流电流和VBUS之一输出到所述PoE PSE控制器。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述电源多路复用器适于将所述直流电流和VBUS两者输出到所述PoE PSE控制器。
4.如权利要求3所述的装置，其中，在所述电力输出中优先考虑所述直流电流。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述电源多路复用器下游的直流-直流(DC-DC)升压转换器，所述DC-DC升压转换器适于在将所述电源电路中的电压输出到所述PoE PSE控制器之前将其增加。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述DC-DC升压转换器是隔离式DC-DC升压转换器。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述USB连接器下游并适于向所述电源多路复用器输出电压的USB电力传输(USB-PD)控制器。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述电源多路复用器上游且所述USB-PD控制器下游的负载保护电路，所述负载保护电路适于提供USB负载保护。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述负载保护电路是电子熔丝(eFuse)。
10.如权利要求5所述的装置，其中，所述电源电路还包括电流检测电路，所述电流检测电路适用于检测所述DC-DC升压转换器上游的电流大小并提供指示是否存在足够的电流大小的信号。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述信号是在所述装置的外部可见的多色LED灯，并且其中指定预定颜色以指示足够的电流大小。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述信号是给通过所述USB端口连接的计算机显示的通知。
13.如权利要求10所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述电流检测电路下游的PoE使能逻辑块，所述PoE使能逻辑块适用于激活所述DC-DC升压转换器并在检测到足够的电流大小时启用所述PoE PSE控制器。
14.如权利要求13所述的装置，其中，如果没有检测到足够的电流大小，则所述PoE使能逻辑块适用于停用所述DC-DC升压转换器并禁用所述PoE PSE控制器，并且其中所述以太网连接器适用于传输从电源解耦的数据。
15.如权利要求1所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述DC电源插口下游且所述电源多路复用器上游的反极性保护电路，所述反极性保护电路适于提供保护免于反极性和过压。
16.一种将Thunderbolt连接适配到具有动态多路复用电源的以太网连接的装置，包括：
Thunderbolt连接器，其能够连接到计算机的Thunderbolt端口；
以太网连接器，其能够连接到外围设备的以太网端口；
数据流电路，其适用于在所述Thunderbolt连接器和所述以太网连接器之间传输数据，所述数据流电路包括连接到以太网MAC的Thunderbolt PHY，所述以太网MAC连接到以太网PHY，以太网PHY进一步连接到磁性层；及
电源电路，其适于从多个电源向以所述太网连接器提供动态多路复用电源，所述多个电源包括直流电源插口和来自Thunderbolt连接器的电压，其中所述电源电路包括电源多路复用器，其适于接收来自多个电源的电力，并将电力传输给以太网供电电源装置(PoEPSE)控制器，其中所述PoE PSE控制器连接到所述磁性层，从而将电力传输到所述磁性层，并且其中所述磁性层适用于传送PoE到与数据耦合的所述以太网连接器。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述电源多路复用器适于输出所述直流电流和来自所述Thunderbolt连接器的所述电压之一。
18.如权利要求16所述的装置，其中，所述电源多路复用器适于输出所述直流电流和来自所述Thunderbolt连接器的所述电压两者。
19.如权利要求16所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述电源多路复用器下游的DC-DC升压转换器，所述DC-DC升压转换器适于在将所述电源电路中的电压输出到所述PoE PSE控制器之前将其增加。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述电源电路还包括电流检测电路，所述电流检测电路适于检测所述DC-DC升压转换器上游的电流大小并提供指示是否存在足够的电流大小的信号。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述信号是在所述装置的外部可见的多色LED灯，并且其中指定预定颜色以指示足够的电流大小。
22.如权利要求20所述的装置，其中，所述信号是给通过Thunderbolt端口连接的所述计算机显示的通知。
23.如权利要求20所述的装置，其中，所述电源电路还包括在所述电流检测电路下游的PoE使能逻辑块，所述PoE使能逻辑块适于激活所述DC-DC升压转换器并在检测到足够的电流大小的情况下启用所述PoE PSE控制器。
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