JP5643899B2

JP5643899B2 - 幹線給電される機器のためのエネルギー節約回路、幹線構成およびエネルギー節約方法

Info

Publication number: JP5643899B2
Application number: JP2013521027A
Authority: JP
Inventors: ルーフ，ローベルト
Original assignee: フジツウテクノロジーソリューションズインタレクチュアルプロパティゲーエムベーハー
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: WO2012013404A1; JP2013535731A; US9515507B2; DE102010032513A1; US20140111009A1; EP2599259A1; EP2599259B1

Description

ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約回路、ネットワーク構成およびエネルギー節約方法
本願は、ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約回路であって、ネットワークを介して提供されることのできる供給電圧から前記装置のための動作電圧を生成するための変換器回路を有するエネルギー節約回路に関する。さらに、本願は供給ユニットおよび少なくとも一つのネットワーク給電される装置を有するネットワーク構成ならびにネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約方法に関する。

従来技術は、電気装置のリモートかつネットワークを通じた給電のためのさまざまな方法および装置を開示している。例として、「イーサネット(登録商標)を介した電力（Power over Ethernet(登録商標)）」（PoE）として知られるIEEE規格802.3afは、ローカル・エリア・データ・ネットワーク（LAN）のネットワーク線を介して、約5Wから15Wの間の比較的低電力の引き出しをもつネットワーク・コンポーネントに供給電圧を供給することの実施を開示している。

装置のネットワーク給電の利点は第一に、装置近辺において別個の電源ケーブルや電源ユニットをなくすことができるということである。さらに、関連する装置への電力の供給は、前記供給ユニットへの無停電電力供給によって、すべてのネットワーク給電される装置について中央集中的に防護されることができる。

図１は、ネットワーク給電される負荷（給電される装置（powered device）、PD）のリモート給電のための、問題の型の構成を示している。ネットワーク給電される装置PDはネットワーク・ケーブル１によって供給ユニット（電力源設備（Power Sourcing Equipment）、PSE）に接続されている。

図示した構成では、ネットワーク・ケーブル１は二対のワイヤを有する。同時の送信（TX: transmit）および受信（RX: receive）のためにそれぞれ一対である。送信信号および受信信号はそれぞれ高周波AC電圧信号として送信される。これらの高周波AC電圧信号は、前記供給ユニットPSEのための二つのトランスによって、DC電圧上に印加される。印加されたDC電圧はネットワーク給電される装置PDのための供給電圧として使われ、その中で二つのさらなるトランスによって高周波AC電圧から単離される。

供給ユニットPSEは、供給電圧を与えるための電圧源２を有する。さらに、供給ユニットPSEは、電圧源２を供給ユニットPSEのトランスに選択的に接続するモニタリング回路３を有する。ネットワーク給電される装置PDは整流器４を有し、また与えられた供給電圧をネットワーク給電される装置PDのための動作電圧に変換する変換器回路５をも有する。

無用な電力および伝送損失を避けるために、供給ユニットPSEは、ネットワーク給電される装置PDがネットワーク・ケーブル１に接続されているかどうかを認識する手段を有する。ネットワーク給電される装置PDが実際に供給ユニットPSEに接続されているかどうかを認識することに加えて、前記手段は、ネットワーク給電される装置PDについてのさまざまな電力クラスの一つを認識するためにも使われる。この目的に向け、モニタリング回路３は抵抗器Rの両端での供給電圧の電圧降下をモニタリングし、よって間接的に接続された装置PDの内部抵抗を決定する。抵抗器Rを流れる電流が所定の閾値より下に低下すれば、供給ユニットPSEのモニタリング回路３はネットワーク給電される装置PDがネットワーク・ケーブル１から切り離されたと想定し、スイッチング素子Sw、たとえばリレーまたは半導体スイッチング素子によって供給電圧の提供を中断する。

上述した構成および装置認識のための関連するプロトコルは、通例ほぼ一定の動作電流を引き出し、ネットワークの動作中スイッチ・オンされたままであるネットワーク・コンポーネントに電力を供給するのに好適である。しかしながら、ユーザー制御のもとでオン・オフにスイッチングされる端末に電力を供給するときには問題となる。

そのような端末が、スイッチ・オフされた状態またはエネルギー節約状態において所定の限界値より低い、過度に低い電力消費をもつ場合、供給装置PSEからの供給電圧は完全に中断され、結果として、前記端末はもはや、装置PDによるスイッチ・オフされた状態またはエネルギー節約状態から覚醒されることが可能でなくなる。他方、ネットワーク給電される装置の内部抵抗があまりに低くて、供給ユニットもスイッチ・オフされた状態またはエネルギー節約状態にあるネットワーク給電される装置を認識する場合には、供給ユニットは連続的に初期化シーケンスを実行する。この結果、ネットワーク給電される装置にとっても供給ユニットにとっても貧弱なエネルギー・バランスとなり、よって、可能性としてはそのような装置の動作条件が破られることになる。

したがって、上述した問題を完全にまたは部分的に解決する、ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約回路を記述することが本発明の一つの目的である。さらに、ねらいは、エネルギーの点で十分な仕方でネットワーク給電される装置に電力を供給するのに好適なネットワーク構成を記述することである。最後に、ねらいは、ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約方法を規定することである。

上述した目的は、ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約回路であって、ネットワークを介して提供されることのできる供給電圧から前記装置のための動作電圧を生成するための変換器回路を有するエネルギー節約回路に関する。本エネルギー節約回路は、前記ネットワークと前記変換器回路との間の少なくとも一つの電気的接続を遮断する少なくとも一つのスイッチング要素と、前記装置から受領されるスイッチ・オンおよび／またはスイッチ・オフするための制御信号に基づいて前記少なくとも一つのスイッチング要素を作動させる少なくとも一つの制御回路と、前記制御回路に動作電力を供給するために、前記ネットワークを介して提供される電圧パルスからのエネルギーを蓄えるための少なくとも一つのエネルギー・バッファとを有する。

前記変換器回路とはほぼ独立して動作させることのできる制御回路を設けること、および、前記制御回路に動作電力を供給するために、前記ネットワークを介して提供される電圧パルスをエネルギー・バッファにバッファリングすることは、スイッチ・オフされた状態またはエネルギー節約状態にあるネットワーク給電される装置のネットワーク給電をなくすことができるということを意味する。このようにして、スイッチ・オフされた状態またはエネルギー節約状態にあるネットワーク給電される装置によって引き出される電力は、ネットワーク給電や装置側での作動および作動停止という利点をなくす必要なしに、ほぼゼロまで下げることができる。ネットワーク給電される装置に電力を供給するために使われる供給ユニットは、スイッチング要素が開いているときにはもはや、高い内部抵抗のために前記装置を認識することはできなくなる。これは、初期化シーケンスも実行されないということを意味する。

ある好ましい洗練によれば、エネルギー・バッファはコンデンサの形である。ここで、バッファ・キャパシタンスは制御回路に所定の時間期間にわたって動作電力を供給するのに十分である。エネルギー・バッファとしてコンデンサを設けることは、特に安価であり、同時に、ネットワーク給電される装置において、再充電可能型バッテリーに見られるような危険な物質をなしですませることを許容する。この場合、コンデンサのキャパシタンスは、通例標準によってあらかじめ決定されているネットワークを介して提供される電圧パルス間の周期に対して、設定されることができる。

あるさらなる有利な洗練によれば、前記少なくとも一つのスイッチング要素は、ゼロ電流を動作する半導体スイッチング要素の形、特にMOSFETの形である。MOSFETまたは同様のスイッチング要素の使用は、当該スイッチング要素のスイッチ・オンされたおよび／またはスイッチ・オフされた状態が、動作電流を要求することなく、制御回路によって保持されることを許容する。

上述した目的は、同様に、ネットワーク給電される装置を認識してこれに供給電圧を供給する供給ユニットと、上述した洗練の一つに基づくエネルギー節約回路を有する少なくとも一つのネットワーク給電される装置と、前記供給ユニットおよび前記少なくとも一つのネットワーク給電される装置を相互に接続する少なくとも一つのネットワーク・ケーブルとを有するネットワーク構成によって達成される。

そのような構成は装置のネットワーク給電のための既知の規格に準拠する。ネットワーク給電される装置だけが、上記のようなエネルギー節約回路を設けられる必要がある。他方、供給ユニットまたはネットワーク・ケーブルへの変更は必要ない。

上述した目的は、以下の段階を含むネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約方法によっても達成される：
・ネットワークを介して提供される電圧パルスからの電力がエネルギー・バッファに蓄えられる、
・エネルギー・バッファに蓄えられた電力で制御回路が動作させられる、
・ネットワーク給電される装置をスイッチ・オンするための第一の装置側制御信号が制御回路によって認識される、
・前記ネットワークと、前記ネットワーク給電される装置の変換器回路との間の電気的接続をなすために、制御回路によってスイッチング要素が作動される。

上述した方法段階は、前記電気装置の変換器回路がネットワークから電気的に絶縁されているときであってもスイッチ・オンするための制御信号があるかどうかネットワーク給電される装置を連続的にモニタリングすることを許容する。これは、前記電気装置がさらなる電力をネットワークから引き出していない静穏状態またはエネルギー節約状態においてでさえ、前記エネルギー装置が再作動されることが可能であるということを意味する。

さらなる有利な諸洗練は以下に記述される例示的な実施形態および従属請求項において開示される。

ネットワーク給電される装置にリモート給電するためのネットワーク構成を示す図である。ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約回路の概略図である。ネットワーク給電される装置のためのエネルギー節約方法のフローチャートである。「イーサネット(登録商標)を通じた電力」規格に基づく初期化フェーズの間の電圧プロファイルを示す図である。

図２は、図１を参照してすでに述べたようなネットワーク構成において使うエネルギー節約回路６を示している。

エネルギー節約回路６は、二つの供給線７ａおよび７ｂによってネットワーク構成に接続される。これらの供給線は、図２には示さない供給ユニットPSEからの供給電圧V_PSEを提供するために使われる。前記装置は供給電圧V_PSEの極性を知らない。これは、第一の供給線７ａと第二の供給線７ｂとの間に整流器BR1が接続されていることを意味する。供給電圧V_PSEが加えられるとき、整流器BR1は、36ないし57Vの範囲のDC電圧V_PD、特にIEEE規格802.3afおよび802.3atのための44Vまたは48Vを提供する。この電圧は、下流の変換器回路５と並列に配置されている平滑化コンデンサC1に充電するために使われる。ネットワーク給電される装置PDの検出を乱さないよう、平滑化コンデンサは好ましくは120nFより低いキャパシタンスをもつ。

平滑化コンデンサC1および変換器回路５によって表される電気的負荷を供給線７ａおよび７ｂから絶縁できるよう、整流器BR1のグラウンド接続GNDと平滑化コンデンサC1または変換器回路５の負接続との間にスイッチング要素８が設けられる。このスイッチング要素８は、これらの点の間の電気的接続を断つために使うことができる。いうまでもなく、切断は別の点でも可能である。今の例示的な実施形態では、スイッチング要素８は通常オフのMOSFET S1である。したがって、変換器回路５は、MOSFET S1の制御入力が加えられたスイッチング電圧をもつ場合にのみ、整流器BR1に接続される。

スイッチング要素８のための関連するスイッチング電圧を提供するために、エネルギー節約回路６はさらに制御回路９を有する。今の例示的な実施形態では、制御回路９は二つの部分において示されており、特に、電圧調整器および回路が付随しているマイクロコントローラ９ａと、二次側からの制御信号を結合するためのトランス９ｂとを有する。マイクロコントローラ９ａおよびトランス９ｂを有する二部構成の代わりに、離散回路を使うことも可能なのはもちろんである。

少なくとも制御回路９のマイクロコントローラ９ａに動作電圧を一定して供給するため、変換器回路BR1のグラウンド出力GNDおよび二つの供給線７ａおよび７ｂの間にはコンデンサC2の形のエネルギー・バッファが接続されている。この場合、今の例示的な実施形態におけるコンデンサC2の下側の接続は供給線７ａまたは供給線７ｂからの正の電圧成分を、ダイオードD1またはD2を介して供給される。上側の負荷経路における整流器回路BR1の洗練度およびアクセスしやすさに依存して、整流が、ダイオードD1およびD2によるのではなく、整流器BR1によって実施されることも可能である。

コンデンサC2は、マイクロコントローラに電力を供給する準備ができた十分な電荷を保持するよう、「イーサネット(登録商標)を通じた電力」（PoE）規格で検出パルスとして知られるものによって充電されるような寸法にされる。例として、PoE規格は、供給ユニットPSEによって規則的に提供される、2.7ないし10Vの間の電圧パルスについての規定をもつ。この規格に基づくと、相続くパルス間の最小オフ時間は少なくとも2sである。よって、たとえば100nFのキャパシタンスの場合、たとえば25nAの電流引き出しをもつ特にエネルギー節約のマイクロプロセッサに、連続的に動作電圧を供給することが可能になる。

今の例示的な実施形態における具体的な信号伝達について、図３に示されるフローチャートおよび図４に示される電圧プロファイルを参照して以下でより詳細に述べる。

最初は、ネットワーク給電される装置PDはスイッチ・オフ状態にある。この状態において、スイッチング要素８は開いている。これは、変換器回路５が電気機器に対して電力を供給するためのいかなる動作電圧も提供しないことを意味する。この動作状態では、供給ユニットPSEは、規格に従って電圧源２を供給線７ａおよび／または７ｂから絶縁する。

しかしながら、この動作状態では、検出パルス１０として知られるものが供給ユニットPSEによって規則的に提供されている。検出パルス１０の特性は図４に示されている。検出パルス１０はダイオードD1およびD2および整流器BR1の諸部分によって整流され、コンデンサC2を充電するために使われる（ステップ３１）。

この動作フェーズでは、エネルギー節約回路６は、所定の限界値、たとえば33kΩより高い内部抵抗をもつ。したがって、モニタリング回路３は、ネットワーク給電される装置PDが供給ユニットPSEに接続されていることを認識せず、自分も次の検出パルス１０が放出されるまでエネルギー節約状態にはいる。

二次側のスイッチ・オン信号がトランス９ｂを介して受信されると、制御回路９のマイクロコントローラ９ａが作動される（ステップ３２）。スイッチ・オン信号は制御回路９のためのトリガー・パルスとして使われる。例として、ネットワーク給電される装置PD上で二次側に配置されたスイッチ・オン押しボタン・スイッチを押すことに関わってもよい。

そのようなスイッチ・オン制御信号が存在するとき、制御回路９は、適切な制御電圧を加えることによってスイッチング要素８をアクティブ化する（ステップ３３）。よって、変換器回路５は供給線７ａおよび７ｂに、およびエネルギー節約回路６に接続される。

次の検出パルス１０が受信されるとき、変換器回路５は、使用されるプロトコルの基礎になっているログ記録に従って反応する。これはつまり、供給ユニットPSEのモニタリング回路３が装置PDの接続を認識できるということである。特に、供給線７ａおよび７ｂを介しての電流の流れの上昇の結果、抵抗器Rの両端に比較的大きな電圧降下が生じる（ステップ３４）。例として、ネットワーク給電される装置PDは、PoE規格に基づき、この動作フェーズにおいて、15ないし33kΩの範囲の内部抵抗をもつ。

検出成功への反応として、供給ユニットPSEは次に一つまたは複数の「分類パルス」１１をネットワーク給電される装置PDに送る。すると供給ユニットPSEのモニタリング回路３がネットワーク給電される装置PDによる電流引き出しを判別する。たとえば装置PDについて四つの可能な電力クラスの一つを判別するためである。

電力クラスの信号伝達成功後にはじめて、供給ユニットPSEは、スイッチ・オン・フェーズ１２において、たとえば44ないし48Vの間の供給電圧V_PSEをアクティブ化する。この状態において、供給ユニットPSEおよびネットワーク給電される装置PDの両方は完全にスイッチ・オンされた状態にある。この動作状態において、変換器回路５を供給線７ａおよび７ｂに恒久的に接続するために、制御回路９は、スイッチング要素８のための作動信号を所定の値に保持する。

ネットワーク給電される装置PDが再び供給線７ａおよび７ｂから絶縁される必要があるときは、ネットワーク給電される装置PDの二次側が好適な切断信号を制御回路９に信号伝達する。例として、これは、ソフトウェアまたはハードウェアによって生成される切断信号に関わるものでもよい。制御回路９の第二の回路部分９ｂが切断信号を認識する（ステップ３５）とすぐ、変換器回路５は供給線７ａおよび７ｂから絶縁され（ステップ３６）、よってスイッチング要素８が開かれるおかげで非アクティブ化される。ネットワーク給電される装置は切断される。

その後、供給ユニットPSEは、その供給出力における内部抵抗の上昇を認識し、次いで供給電圧V_PSEの提供を非アクティブ化する。よって、供給ユニットPSEも、上記のように、検出パルス１０のみが所定の時間間隔で放出されるエネルギー節約状態にはいることができる。よって、供給ユニットPSEおよびネットワーク給電される装置PDは再び、非常に低い電力引き出し状態にある。その結果、待機状態として知られる状態におけるエネルギー効率に関する現行および将来の諸規格の要求を遵守できる。

上記の回路構成および方法は、ユーザー制御のもとでスイッチ・オンおよびオフされる端末に電力を供給するために特に好適である。そのような装置は特に、単に、スクリーン・マスクを表示するためのグラフィック・チップと、キーボード、マウスおよび同様の入力装置を接続するための単純なインターフェース接続とを有する、ゼロ・クライアントとして知られるものである。この場合、実際の計算能力は中央で運用されるサーバー・システムによって提供される。ネットワークを介して特に効率的にリモート給電もされるそのような最小限の設計の端末ユニットの使用は、特に、中間規模およびより大規模な企業ネットワークのエネルギー効率を特に改善することを許容する。この場合、各ユーザーは、単一ステーション・コンピュータから既知のように、自分の端末を個々にスイッチ・オンまたはオフすることができる。

前述したエネルギー節約回路および関連する方法は、リモート給電する装置のための種々の規格における使用のためにも等しく好適である。この場合、回路の動作について唯一の重要な側面は、電圧パルスが多少なりとも規則的に、ネットワーク給電される装置を接続するために使われるネットワーク線を介して送信されるということである。

これは必ずしも、PoE規格に基づく検出パルス１０に関わる必要はない。エネルギー・バッファC2に充電するためのネットワーク・プロトコルからの他のまたは追加的なデータ、信号伝達または供給パルスを使うことも考えられる。特に、供給ユニットも分類パルスを規則的に放出するまたは一時的に開始フェーズにはいるならば、制御回路として使用される比較的強力なマイクロコントローラが、十分な動作電圧を提供されることができる。

本発明に基づく方法のためには、リモート給電が図１に示されるように、データを信号伝達するためのワイヤ対自身を介して実施されるか、ネットワーク線の別個のワイヤ対を介して実施されるかも重要ではない。

１ネットワーク・ケーブル
２電圧源
３モニタリング回路
４整流器
５変換器回路
６エネルギー節約回路
７供給線
８スイッチング要素
９制御回路
１０検出パルス
１１分類パルス
１２スイッチ・オン・フェーズ
PSE 供給ユニット
PD ネットワーク給電される装置
S1 MOSFET
C1、C2 コンデンサ
BR1 整流器
D1、D2 ダイオード
R 抵抗器
Sw スイッチング要素
V_PSE 供給電圧
V_PD DC電圧
V_OUT 動作電圧

Claims

ネットワークを介して提供されることのできる供給電圧(V _PSE )からネットワーク給電される装置(PD)のための動作電圧(V _OUT )を生成するための変換器回路（５）を有する、前記ネットワーク給電される装置(PD)のためのエネルギー節約回路（６）であって：
・前記ネットワークと前記変換器回路との間の少なくとも一つの電気的接続を遮断する少なくとも一つのスイッチング要素と、
・前記装置(PD)から受領される、スイッチ・オンおよび／またはスイッチ・オフするための制御信号に基づいて前記少なくとも一つのスイッチング要素を作動させる少なくとも一つの制御回路（９）と、
・前記制御回路（９）と並列に配置されるとともに、一方の端子が前記ネットワークと前記スイッチング要素との間に接続されており、所定の時間期間にわたって前記制御回路（９）に動作電力を供給するために、前記ネットワークを介して提供される電圧パルス（１０、１１）からのエネルギーを蓄えるための少なくとも一つのコンデンサ(C2)とを有する、
エネルギー節約回路。
・ネットワーク給電される装置を認識してこれに供給電圧を供給する供給ユニットと、
・請求項１記載のエネルギー節約回路を有する少なくとも一つのネットワーク給電される装置と、
・前記供給ユニットおよび前記少なくとも一つのネットワーク給電される装置を相互に接続する少なくとも一つのネットワーク・ケーブルとを有する、
ネットワーク構成。
前記供給ユニットおよび前記少なくとも一つのネットワーク給電される装置の前記変換器回路は「イーサネット(登録商標)を通じた電力」規格に基づき、「イーサネット(登録商標)を通じた電力」規格に基づく検出パルスおよび／または分類パルスが前記コンデンサ(C2)を充電するために使用される、請求項２記載のネットワーク構成。
前記ネットワーク・ケーブルが前記供給電圧を提供するための少なくとも二つのワイヤと、前記ネットワーク給電される装置からおよび／または前記ネットワーク給電される装置にデータを伝送するための、前記ワイヤとは電気的に絶縁された少なくとも二つのさらなるワイヤとを有する、請求項３記載のネットワーク構成。
前記ネットワーク・ケーブルが、前記供給電圧を提供するためおよび／または前記ネットワーク給電される装置からおよび／または前記ネットワーク給電される装置にデータを伝送するための少なくとも四つのワイヤを有しており、伝送されるデータは、供給電圧として使われるDC電圧（V_PD）上に高周波数信号として変調される、請求項３記載のネットワーク構成。
請求項１に記載のエネルギー節約回路を用いるネットワーク給電される装置（PD）のためのエネルギー節約方法であって：
・ネットワークを介して提供される電圧パルス（１０、１１）からの電力がコンデンサ(C2)に蓄えられる段階と、
・前記コンデンサ(C2)に蓄えられた電力で制御回路が動作させられる段階と、
・前記ネットワーク給電される装置をスイッチ・オンするための第一の装置側制御信号が前記制御回路によって認識される段階と、
・前記ネットワークと、前記ネットワーク給電される装置の変換器回路との間の電気的接続をなすために、前記制御回路によってスイッチング要素が作動される段階とを含む、
エネルギー節約方法。
請求項６記載のエネルギー節約方法であって、
前記電気的接続がなされたのち、次の段階、すなわち：
・前記変換器回路によって検出パルスが認識される段階と、
・前記ネットワーク内の供給ユニットによって前記電気装置（PD）の電力クラスが認識される段階と、
・前記供給ユニットによって前記ネットワークを介して供給電圧が提供される段階と、
・前記ネットワークを介して提供される前記供給電圧から前記変換器回路によって、前記装置（PD）を動作させるための動作電圧（V_OUT）が生成される段階とをさらに含む、
エネルギー節約方法。
請求項６または７記載のエネルギー節約方法であって、次の追加的段階、すなわち：
・前記ネットワーク給電される装置（PD）をスイッチ・オフするための第二の装置側制御信号が前記制御回路によって認識される段階と、
・前記ネットワークと、前記電気装置（PD）の前記変換器回路との間の前記電気的接続を切断するために、前記制御回路によって前記スイッチング要素が作動される段階とを含む、
エネルギー節約方法。