JP4485576B2 - パワーオーバーイーサネット（登録商標）システムにおけるアナログ電力管理 - Google Patents

Description

技術分野
この開示は電源システムに関し、より特定的には、パワーオーバーイーサネット（登録商標）（Power Over Ethernet（登録商標））（ＰｏＥ）システムにおける電力管理機構および方法論に関する。

背景技術
ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格はイーサネット（登録商標）ケーブル上の電力供給を規定する。このパワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）規格は、リンクの両端に位置する給電側機器（Power Sourcing Equipment）（ＰＳＥ）から受電側機器（Powered Device）（ＰＤ）へ、アンシールドツイストペア線を通じて電力を送ることを含む。伝統的に、ＩＰ電話、無線ＬＡＮアクセスポイント、パーソナルコンピュータおよびウェブカメラなどのネットワーク装置は、２つの接続を必要とする。１つはＬＡＮ、もう１つは電気ＡＣネットワークである。ＰｏＥは、ＡＣネットワークに接続を与えるための付加的なコンセントおよび配線の必要をなくす。その代わり、データー伝送に用いられるイーサネット（登録商標）ケーブルを通じて電力が供給される。

ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格に規定されるように、ＰＳＥはケーブルへの物理的接続ポイントで電気的に特定される、リンクに電力を与える機器である。ＰＳＥの主な機能は、ＰＤが要求する電力を求めてリンクを探索すること、任意でＰＤを分類すること、ＰＤが検出されるとリンクに電力を供給すること、リンク上の電力をモニタすること、および、電力がもはや要求されず、必要とされなくなると、電力を検出レベルに戻すことである。ＰＳＥ装置は有効な２つの４線式接続の１つを介して電力を与えることができる。各４線式接続において、１対に関連付けられる２つのコンダクタは、大きさおよび極性の両方において等しい公称電流を各々運ぶ。

複数のリンクに電力を供給するマルチポートＰＳＥ装置に複数のＰＳＥが組合わされてもよい。マルチポートＰＳＥ装置は、リンクを通じて送ることができる８０２．３ａｆ準拠電力にＡＣ線電力を変換するために、典型的には単一の電源を用いる。したがって、ＰＳＥによって電力供給されるリンク間で電力に対する競合があり得る。この問題に対応するために、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格は、最大電力消費量に基づいてＰＤを５つのクラスに分類する。リンクに電力供給がされる前に、ＰＤはＰＳＥにそのクラスを伝える。ＰＤが通知したクラスに必要とされる電力がＰＳＥから利用可能な電力より大きい場合、ＰＳＥは電力要求を拒否する。特に、ＰＳＥは、リンクに接続されたクラス１のＰＤを有するリンクへは少なくとも４．０Ｗを、クラス２を有するＰＤのリンクへは少なくとも７．０Ｗを、およびクラス０、３または４のＰＤを有するリンクへは少なくとも１５．４Ｗを供給しなければならない。

たとえば、４ポートのＰＳＥ装置が既に３つのクラス２のＰＤに電力を供給している場合、装置はそれぞれの３つのリンクに電力を供給するために２１Ｗを割当てなければならない。ＰＳＥ装置がその最後のポートでＰＤを検出すると、装置はそのＰＤに電力供給する能力を有することを確保しなければならない。たとえば、ＰＳＥ装置が２５Ｗの電源で作動する場合、装置にはわずか４Ｗしか残っていない。したがって、装置はクラス２の第
４のＰＤに電力を与えることができない。しかしながら３０Ｗの電源を備えたＰＳＥ装置には９Ｗが残っているので、第４のクラス２のＰＤに電力供給することができる。

この例は、マルチポートＰＳＥ装置が、リンクに電力を供給する前に、電力需要を電源の性能と比較するためにリンクからの電力需要を勘定しておかなければならないことを示す。典型的には、ＰＳＥ装置は電力管理をもたらすためにマイクロコントローラおよびカスタムソフトウェアを伴う。しかしながら、ソフトウェアを書込み、ＰＳＥが常に８０２ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格に準拠することを確実にするためにそれをテストすることは、ＰＳＥ製造業者にとって負担となりかねない。さらに、マイクロコントローラおよびカスタムソフトウェアを必要とするということは、ＰＳＥ装置のコストと複雑さとを増す。

開示の要約
本願明細書に開示された主題は、複数のリンクに対して電力を供給するＩＥＥＥ８０２．３ａｆ準拠のＰＳＥシステムのための電力管理機構を与えることによってこれらの問題を解決する。電力管理機構は、ＰＳＥシステムのすべてのＰＳＥコントローラによって共有されるアナログバスを含む。第１のＰＳＥコントローラは、第１のＰｏＥリンクによって要請される第１の電力量に比例する第１の信号をバスに供給する。第２のＰＳＥコントローラは、第２のＰｏＥリンクによって要請される第２の電力量に比例する第２の信号をバスに供給する。第１のリンクからの電力要求に応答して、第１のＰＳＥコントローラはバス上に第１の信号をセットし、第１のＰＳＥコントローラに関連付けられる第１のコンパレータは、ＰＳＥシステムから要請される総電力量に比例するバス上の総信号をＰＳＥシステムにサポートされ得る最大電力需要を示す予め定められた値と比較する。総信号が予め定められた値を超えない場合、第１のＰＳＥコントローラは第１のリンクに電力を与える。総信号が予め定められた値を超える場合、第１のリンクからの電力要求は拒否される。

第２のリンクからの電力要求に応答して、第２のＰＳＥコントローラはバス上に第２の信号をセットし、第２のＰＳＥコントローラに関連付けられる第２のコンパレータはバス上の総信号を予め定められた値と比較する。総信号が予め定められた値を超えない場合は第２のＰＳＥコントローラは第２のリンクに電力を与え、総信号が予め定められた値を超える場合は第２のリンクからの電力要求を拒否する。

開示の実施例によれば、バスはＰＳＥコントローラによって共有される単線であり、それぞれのリンクによって要請される電力量に比例する電流をコントローラの各々から受取ることができる。ＰＳＥシステムから要請される総電力に比例する電圧に電流を変換するために、抵抗器がバスに結合されてもよい。ＰＳＥシステムの現在利用可能な電力を示すために、抵抗器に亘って電圧計が接続されてもよい。

バスに供給される電流を生成するために、ＰＳＥコントローラの各々について電流源が与えられてもよい。それぞれのリンクからの電力需要を示す制御信号を電流源に供給するために、バス論理回路が電流源に結合されてもよい。

開示の別の局面によれば、ＰｏＥシステム用コントローラは、それぞれのリンクに電力を与えるための複数のＰＳＥコントローラと、ＰＳＥコントローラによって共有される電力管理アナログバスとを含み、それぞれのリンクによって要請される電力量に比例する電流をＰＳＥコントローラの各々から受取るよう構成される。

ＰＳＥコントローラに関連付けられるコンパレータは、それぞれのリンクに電力を与えるべきか否か決定するために、システムから要請された総電力量に比例するバス電圧をコ
ントローラにサポートされ得る最大電力需要を示す予め定められた値と比較することができる。

バス電圧が予め定められた値を超えない場合は、ＰＳＥコントローラはそれぞれのリンクに要請された電力量を与え、バス電圧が予め定められた値を超える場合は、それぞれのリンクの電力に対する要求を拒否する。

この発明の方法によれば、ＰｏＥシステムにおける電力管理を実行するために以下のステップが行なわれる：
・ ＰｏＥシステムのＰＳＥコントローラによって共有されるアナログバスにＰＳＥコントローラから要請される電力に比例する信号を供給するステップと、
・ 新たに検出された電力供給を要求するＰＤに電力を与えるべきか否かを決定するために、ＰＳＥコントローラから要請される総電力に比例するバス上の総信号を最大許容電力需要を示す予め定められた値と比較するステップとである。

総信号が予め定められた値を超えない場合、新たに検出されたＰＤに要求された電力が与えられる。総信号が予め定められた値を超える場合、要求された電力は与えられない。

開示の別の局面によれば、総信号が予め定められた値を超える場合、比較するステップはランダムバックオフ期間後に繰返される。

開示の付加的な利点および局面は以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかになり、この開示を実行するために考えられる最良の形態として例示されることによってのみこの開示の実施例が示され、説明される。説明されるように、開示は他の、および異なる実施例が可能であり、そのいくつかの詳細は、すべて開示の精神から逸脱することなくさまざまな明白な観点から修正される余地がある。したがって、図面および説明は、その性質上、限定ではなく例示とみなされるべきである。

この開示の実施例の以下の詳細な説明は、以下の図面に関連して読まれると最もよく理解でき、その特徴は必ずしも縮尺通りには描かれないが、適切な特徴を最もよく図示するよう描かれる。

実施例の詳細な開示
本願明細書に示される概念は、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ準拠のＰｏＥシステムのためのＰＳＥコントローラチップの例によって説明される。しかしながらこの概念は、ネットワークを通じた電力供給のためのいかなるシステムでも電力を管理するのに適用可能であることが明らかである。

図１は、マルチポートＰＳＥ装置１０のＰＳＥコントローラがＩＥＥＥ８０２．３ａｆ準拠のリンクを通じて供給される電力を管理することを可能にするために与えられる電力管理システムを示す。電力管理システムは、マルチポートＰＳＥ装置１０のＰＳＥコントローラチップ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃに結合された単線アナログバス１２を含む。図１はアナログバス１２を共有する３つのＰＳＥコントローラチップを示すが、当業者は、マルチポートＰＳＥ装置１０において単線バス１２に任意の数のＰＳＥコントローラチップが接続され得ることを理解する。

ＰＳＥコントローラチップ１４の各々は、ＰｏＥポートに結合されたＩＥＥＥ８０２．３ａｆ準拠のリンクを通じてＰＤに電力を与えるための、それぞれのＰｏＥポートを制御することができる。それぞれのリンクを通じて送ることができる８０２．３ａｆ準拠の電
力を生成するために、ＰＳＥコントローラチップ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃには、共通の電源（示されない）が接続されてもよい。

この発明の電力管理システムはさらに、電流源１６ａ、１６ｂおよび１６ｃと、電圧源１８ａ、１８ｂおよび１８ｃと、コンパレータ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃと、ＰＳＥコントローラチップ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃにそれぞれ関連付けられるバス論理回路２２ａ、２２ｂおよび２２ｃとを含む。電力管理システム１０のこれらの要素はそれぞれのＰＳＥコントローラチップに組込まれていてもよい。代替的には、これらのいくつかまたはすべてが、ＰＳＥコントローラチップに対して外部から与えられてもよい。

バス１２に結合された電流源１６ａ、１６ｂおよび１６ｃはバス１２に供給される電流を与え、それぞれのＰＳＥコントローラチップ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃに結合されたリンクによって要請される電力量を表わす。抵抗器Ｒ_BUSがアナログバス１２に結合され、ＰＳＥコントローラチップ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃによってバス１２上に配置される電流を、マルチポートＰＳＥ装置１０から要請される総電力に比例する電圧に変換する。

それぞれのコンパレータ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃの１つの入力に結合された電圧源１８ａ、１８ｂ、および１８ｃは、ＰＳＥ装置１０によってサポートされ得る最大電力需要、すなわち、マルチポートＰＳＥ装置１０によってそのＰｏＥポートに結合されたすべてのリンクに与えられ得る最大電力を表わす電圧Ｖ_MAXを与える。図１はＰＳＥコントローラチップの各々について別個のＶ_MAX電圧源を示すが、当業者は、すべてのＰＳＥコントローラチップによって単一の電圧源が共有されてもよいことを理解するであろう。

コンパレータ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃの他の入力はバス１２に結合される。それぞれのバス論理回路２２ａ、２２ｂおよび２２ｃを介したコンパレータ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃの出力は、ポート制御回路２４ａ、２４ｂおよび２４ｃにそれぞれ結合される。スイッチ２６ａ、２６ｂおよび２６ｃはそれぞれのポート制御回路２４ａ、２４ｂおよび２４ｃによってオンまたはオフにされ、それぞれのＰＳＥコントローラチップ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃのＰｏＥポートに結合されたリンクに電力を与えることを制御する。下記にさらに詳細に説明されるように、ポートコントローラ２４はそれぞれのＰｏＥリンク上のＰＤを検出するのに必要な動作を行ない、ＰＤに電力を与える。バス論理回路２２ａ、２２ｂおよび２２ｃはバス信号およびＰｏＥリンク信号間に変換をもたらす。

バス１２は、抵抗器Ｒ_BUSについて以下のように値を選択することにより、マルチポートＰＳＥ装置１０に結合された特定の電源の性能と一致するようにプログラムされ得る：
Ｒ_BUS＝Ｖ_MAX／（Ｓ_P-to-I×Ｐ）,
ここでＳ_P-to-Iはリンク電力からバス電流への変換を規定する係数であり、
Ｐは電源の電力である。

係数Ｓ_P-to-Iは、ＰＳＥコントローラによってバスにセットされた電流と、この電流によって表わされるＰｏＥリンク上の電力との比率に対応する。たとえば、ＰＳＥコントローラがＰｏＥリンクによって要請される１Ｗの電力を表わすために１ｍｋＡの電流をセットし、かつＶ_MAX＝１Ｖであれば、２００Ｗの電源を備えたＰＳＥ装置は、Ｒ_BUS＝１Ｖ／（１μＡ／Ｗｘ２００Ｗ）＝５ｋＯｈｍｓを用いるだろう。

図２はこの発明の電力管理システムの動作を図示するフローチャートである。ＰＳＥコントローラ１４ａ、１４ｂおよび１４ｃの各々は、電力を要求するＰＤを検出するためにそれぞれのＰｏＥリンクを調査することにより、周期的に検出手順を実行する（ステップ１０２）。ＰＤが検出されると、それぞれのＰＳＥコントローラ１４は、それが有効か有
効でないかを決定するためにＰＤ検出シグネチャをチェックする。有効検出シグネチャおよび無効検出シグネチャはＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格に規定されている。有効なＰＤ検出シグネチャが、ＰＤがＰｏＥリンクを介して電力を受取る状態であることを示す一方、無効ＰＤ検出シグネチャは、ＰＤが電力を受取らない状態であることを示す。

シグネチャが有効な場合、ＰＳＥコントローラ１４は検出されたＰＤを分類するＰＤ分類手順を実行する（ステップ１０４）。ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格に規定されているように、ＰＤの分類は電圧を加えて電流を測定することにより行なわれてもよい。測定された電流Ｉ_Classに基づいて、ＰＤはクラス０からクラス４に分類され得る。クラス１のＰＤは少なくとも４．０Ｗ、クラス２のＰＤは少なくとも７．０Ｗ、およびクラス０、３または４のＰＤは少なくとも１５．４Ｗを要請する。

決定したＰＤのクラスに基づいて、ポートコントローラ２４はそれぞれのバス制御回路２２を介して電流源１６を制御し、検出されたＰＤからの電力需要を表わす電流を生成する（ステップ１０６）。バス１２に供給されるこの電流は抵抗器Ｒ_BUSによって電圧に変換され、それぞれのコンパレータ２０の１つの入力に加えられるバス電圧の合計を増加させる。バス電圧の合計はコンパレータ２０の別の入力に与えられた電圧Ｖ_MAXと比較され（ステップ１０８）、バス電圧の合計によって表わされる現在の電力需要がＰＳＥ装置１０によってサポートされ得る最大電力需要を超えるか否かを決定する。

コンパレータ２０の出力信号はバス論理２２を介してポートコントローラ２４に供給される。バス電圧が電圧Ｖ_MAXを超えない場合、ポートコントローラ２４は、マルチポートＰＳＥ装置１０からそのＰｏＥに結合されたすべてのリンクによって現在要求される総電力が利用可能な電力を超えないと結論付ける。したがって、ポートコントローラ２４はスイッチ２６をオンにし、要求された電力を検出されたＰＤにそれぞれのＰｏＥリンクを介して与える（ステップ１１０）。

しかしながら、バス電圧が電圧Ｖ_MAXを超える場合は、ポートコントローラは、現在の電力需要がＰＳＥ装置１０にサポートされ得る最大電力需要を超えると判断し、検出されたＰＤからの電力要求を拒否する（ステップ１１２）。

代替的には、ステップ１０６を実行する前にバス電圧の合計が電圧Ｖ_MAXと比較されてもよい。バス電圧の合計が電圧Ｖ_MAXを超えない場合、検出されたＰＤからの電力需要を表わす電流がバス１２に供給される。バス電圧の合計が電圧Ｖ_MAXを超える場合、電力要求は拒否され得る。

マルチポートＰＳＥ装置１０がいくつかのＰｏＥリンクから有効な電力要求を同時に受取った場合、装置の有する電力は要求しているＰＤの少なくとも１つに電力を供給するのに十分ではあり得るが、要求しているＰＤすべてに電力を供給するのには十分でないかもしれない。しかしながら、電力要求衝突により、要求はすべて拒否されるかもしれない。いくつかのＰＳＥコントローラ１４が電力管理システムに同時にアクセスすることを防ぐために、ＰＳＥコントローラの各々、１４ａ、１４ｂおよび１４ｃは、ランダムバックオフ期間後にステップ１０２−１０８を繰返すようプログラムされてもよい（ステップ１１４）。

さらに、電力管理システムは、抵抗Ｒ_BUSにわたって電圧を測定することによりＰＳＥ装置１０の現在利用可能な電力を決定することを可能にする。電圧計はこの電圧とＰＳＥ装置１０によって与えられ得る最大電力を表わす電圧との比率を示すよう較正されることができる。この比率は現在利用可能な電力を表わす。代替的には、抵抗Ｒ_BUSにわたって測定された電圧は、現在利用可能な電力を決定するためにアナログデジタル変換器を介し
てマイクロプロセッサに供給されてもよい。

前述の説明はこの発明の実施例を示し、説明する。さらに、その開示はこの発明の好ましい実施例のみを示し、説明するが、前述のように、この発明は、さまざまな他の組合わせ、修正および環境に使用でき、本願明細書に表現される発明概念の範囲内で上述の開示および／または関連技術の技能または知識と整合する変更または修正が可能であることが理解される。

上述の実施例はさらに、この発明の実行について知られている最良の形態について説明すること、および、このような、または他の実施例において、この発明の特定の適用例または使用によって要求されるさまざまな修正とともに当業者がこの発明を利用することを可能とすることがさらに意図される。

したがって、この説明はこの発明を本願明細書に開示された形式に限定するようには意図されない。また、添付の請求項は代替的な実施例を含むよう解釈されることが意図される。

この開示のマルチポートＰＳＥ装置用の電力管理機構を示す図である。 この開示のマルチポートＰＳＥ装置における電力管理を実行するために行なわれる操作を示す図である。

Claims (15)

1. ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ適合の第１および第２のＰＳＥコントローラを含むＰＳＥシステムのための電力管理システムであって、
   ＰＳＥシステムに接続される第１のリンクによって要請される第１の電力量に比例する第１の信号を第１のＰＳＥコントローラから受取るため、かつＰＳＥシステムに接続される第２のリンクによって要請される第２の電力量に比例する第２の信号を第２のＰＳＥコントローラから受取るためのアナログバスと、
   第１のＰＳＥコントローラに関連付けられる第１のコンパレータとを含み、
   第１のコンパレータは、第１のリンクからの電力要求に応答して、ＰＳＥシステムから要請される総電力量に比例するバス上の総信号をＰＳＥシステムによってサポートされ得る最大電力需要を示す予め定められた値と比較し、さらに
   第１のＰＳＥコントローラは、総信号が予め定められた値を超えない場合は第１のリンクに電力を与え、かつ総信号が予め定められた値を超える場合は第１のリンクからの電力要求を拒否するよう構成される、システム。
2. 第２の信号がバスに供給されるとバス上の総信号を予め定められた値と比較するために第２のＰＳＥコントローラに関連付けられる第２のコンパレータをさらに含み、第２のＰＳＥコントローラは、総信号が予め定められた値を超えない場合は第２のリンクに電力を与え、かつ総信号が予め定められた値を超える場合は第２のリンクの電力に対する要求を拒否するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
3. バスは、第１および第２のＰＳＥコントローラによって共有される単線である、請求項１に記載のシステム。
4. バスは、それぞれのリンクによって要請される電力量に比例する電流をＰＳＥコントローラの各々から受取るよう構成される、請求項１に記載のシステム。
5. バスは電流を電圧に変換するために抵抗器を有する、請求項４に記載のシステム。
6. 総信号は、ＰＳＥシステムから現在要請されている総電力に比例する電圧である、請求
   項５に記載のシステム。
7. 現在利用可能な電力を示す値を表示するために抵抗器に亘って接続される電圧計をさらに含む、請求項６に記載のシステム。
8. バスに供給される電流を生成するための、ＰＳＥコントローラの各々と関連付けられる電流源をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
9. それぞれのリンクからの電力需要を示す制御信号を電流源に供給するために電流源に結合されるバス論理回路をさらに含む、請求項８に記載のシステム。
10. それぞれのリンクに電力を与えるための複数のＰＳＥコントローラと、
    ＰＳＥコントローラによって共有され、それぞれのリンクによって要請される電力量に比例する電流をＰＳＥコントローラの各々から受取るよう構成されるアナログバスと、
    それぞれのリンクに電力を与えるか否かを決定するために、システムから要請される総電力量に比例するバス電圧をコントローラによってサポートされ得る最大電力需要を示す予め定められた値と比較するためにＰＳＥコントローラに関連付けられるコンパレータとを含み、
    ＰＳＥコントローラは、バス電圧が予め定められた値を超えない場合は要請される電力量をそれぞれのリンクに与えるよう構成される一方で、バス電圧が予め定められた値を超える場合はそれぞれのリンクの電力に対する要求を拒否するよう構成される、パワーオーバーイーサネット（登録商標）システム用コントローラ。
11. バスは単線である、請求項１０に記載のコントローラ。
12. 電流を電圧に変換するために、配線に結合される抵抗器をさらに含む、請求項１１に記載のコントローラ。
13. 利用可能な電力を示すために抵抗器に亘って接続される電圧計をさらに含む、請求項１２に記載のコントローラ。
14. パワーオーバーイーサネット（登録商標）システムにおける電力管理方法であって、
    複数のＰＳＥコントローラから、要請される電力に比例する信号を複数のＰＳＥコントローラによって共有されるアナログバスに供給するステップと、
    新たに検出された電力供給を要求するＰＤに電力を与えるか否かを決定するために、複数のＰＳＥコントローラからの、要請される総電力に比例するバス上の総信号を、最大限許容される電力需要を示す予め定められた値と比較するステップとを含み、
    新たに検出されたＰＤは、総信号が予め定められた値を超えない場合は電力を与えられる一方で、総信号が予め定められた値を超える場合は電力を与えられない、方法。
15. 比較するステップは、総信号が予め定められた値を超える場合はランダムバックオフ期間後に繰返される、請求項１４に記載の方法。

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