JP6370989B2 - １０ｇｂａｓｅ−ｔイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標） - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年８月２０日に出願され、発明の名称が「10GBTパワー挿入用巻線手段（Winding Methodology for 10 GBT Power Insertion）」である米国仮出願番号６２／０３９，６０３の利益を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）、特に、10GBase-T、10Base-T、および、1000Base-Tのイーサネット（登録商標）ネットワークにおける電力の挿入に関する。

１０ギガビット（10GBase-T）イーサネット（登録商標）は、10Base-T、100Base-Tおよび１ギガビット（1GBase-T）イーサネット（登録商標）の後の最新世代のイーサネット（登録商標）ネットワークである。10GBase-Tでは、データを10,000Mbpsや10Gbpsの速度で伝送することが可能である。10GBase-Tは、広く利用可能なＣＡＴ５又はＣＡＴ５Ｅツイストペアケーブルで動作するように設計されている。ＣＡＴ５ケーブルは、４組のツイストワイヤペアを有し、その中の２つだけが、10Base-T又は100Base-Tで用いられる。より速い通信速度を達成するために、1GBase-Tおよび10GBase-Tのイーサネット（登録商標）ネットワークは、ツイストワイヤの４組のペア全てを用いて、データを伝送する。

パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）は、イーサネット（登録商標）ケーブルを介してデータと共に電力を伝送するシステムである。これは、シングルケーブルのほうを好んで（例えば、ＣＡＴ５／５Ｅケーブルを介して）使用される電力用の別個のケーブルを排除することが可能となり、無線アクセスポイントなどの装置に対してデータ接続と電力との両方を提供する。その結果、設置コストを大幅に削減することができる。また、受電装置位置でのＡＣ電源およびＤＣ変圧器の必要性を除去することができる。

電力をイーサネット（登録商標）ネットワークに供給するには、スペアペア電力（spare-pair power）とファントム電力(phantom power)との２つの方法がある。ファントム電力供給では、電圧が、データ信号を伝送するペアのワイヤに接続されている。ツイストペアイーサネット（登録商標）は、差動信号伝達を使用しているので、データを伝送する同じペアのワイヤに電力を供給することができる。スペアペア電力供給では、電圧は、未使用のワイヤのペアまたはスペアワイヤのペア、すなわち、データを伝送しないペアのワイヤに接続される。全ての８ワイヤのペアが、信号伝送に用いられる、すなわち、スペアペアが利用可能ではないので、スペアペア電力供給は、1GBase-Tまたは10GBase-Tイーサネット（登録商標）ネットワークには適用されない。このため、ファントム電力供給は、１ギガビットおよび１０ギガビットＰｏＥネットワークで使用される。電力は、イーサネット（登録商標）スイッチなどのＰｏＥ対応ネットワーク装置（PSE）内のエンドスパン電力供給、または、ミッドスパン電力供給のいずれかから、コモンモード電圧を各ペアに適用することによって、データ導体上に伝送される。エンドスパンは、基本的にＰｏＥ回路が追加されたイーサネット（登録商標）スイッチであり、一般的に新しい設備で用いられる。ミッドスパンは、そのスイッチに組み込まれていないが、スイッチと受電側機器（ＰＤ）との間に位置付けられている。ＩＰ電話やワイヤレスＡＰなどのＰＤが、既存の非ＰｏＥネットワークに追加された場合に、それらは通常使用される。

ＰｏＥ（パワーオーバーイーサネット（登録商標））規格は、IEEE 802.3af (2003)およびIEEE 802.3at (2009)で定義されている。元のIEEE 802.3af規格では、電力素子が１５．４Ｗを超えないように、４８Ｖと最大３５０ｍＡの供給を規定している。ケーブルの電力消費後、ＰＤに実質送られる電力は、１２．９５Ｗに制限される。

ＰＤに送られる電力を増加させることは、その後開発されたＰｏＥ規格の主な目的である。IEEE 802.3at（PoE+, 2009としても知られている）は、ＰＳＥで最大５０ＶのＤＣ電力で最大３０Ｗまでを提供する。ケーブルがなくなった後、２５．５ＷはＰＤに送られる。IEEE 802.3at には、データ送信用に４つのペア全てを使用するlGBase-T が追加されている。IEEE 802.3afまたは802.3atでは、10GBase-T PoEは規定されていない。

802.3at規格(２５．５ Ｗ)の元でＰＤに送ることが可能な比較的小さな量の電力は、ワイヤレスＡＰやＩＰ電話をはるかに超えたＰｏＥのアプリケーションを制限する。しかしながら、新しいＰｏＥ規定のIEEE 802.3 btの予想される導入は、標準イーサネット（登録商標）ケーブルにおいて、４つのペア全てを超える電力を許可することにより、ＰＤに送られる電力も少なくとも２倍となる。また、この新しい規格は、ＰｏＥを10GBase-Tイーサネット（登録商標）で標準化する予定である。より高い電力をＰＤに伝送する能力は、ＰｏＥの適用性を、ビル管理アプリケーション（多くの場合約５０Ｗ）、ＰＯＳシステム（３０〜６０Ｗ）、および、産業用モータ制御システム（＞３０Ｗ）などの大容量アプリケーションに広げることになるだろう。

10GBase-Tイーサネット（登録商標）ネットワークに大量の電力を供給することに関連して問題が発生する。電力は、通常、センタータップ式変圧器、または、各ワイヤペアの２つのピンの間に接続された単巻変圧器を使用して挿入される。変圧器は、一般的に、磁気コアを含む。磁気コアは、磁気巻線を備えたトロイドコアを有する。ＰｏＥシステムでは、データ速度や電力が増加するに従って、トロイダル磁気コアに対して、より高い磁気やＤＣ電力バイアス能力が要求される。変圧器コア飽和(transformer core saturation)は、ＰＤに送ることが可能な電流を制限することができる。伝送特性は、現在、５００ＭＨｚの帯域幅に固有のものである。高電力で最大５００ＭＨｚまでの信号経路における従来のトロイダル変圧器または単巻変圧器の負荷は、データ信号を破壊し、リターンロスや挿入損失をもたらす可能性がある。また、ＰＤおよびＰＳＥ機器の特性を定義するIEEE 802.3規格の３３項に規定されている規格を満たさないオープン回路インダクタンス（ＯＣＬ）およびＤＣ電流のアンバランスを生じさせる。

本発明の目的は、IEEE802.3af、IEEE802.3an、IEEE802.3at、IEEE0.2.bt、および、IEEE802.3buで規定されているように、ＵＴＰ（非シールデッドツイストペア：unshielded twisted pair）および／またはＳＴＰ（シールデッドツイストペア：shielded twisted pair）銅ケーブルを介して、10GBase-T用のＤＣ電力インターフェースを提供する新規で改良された磁気回路設計を提供することである。

また、本発明の他の目的は、既存のl0Base-T, 100Base-T and 1000Base-T、および、10GBase-Tと、すなわち、４速度対応可能な磁気回路設計との互換性を提供することである。

また、本発明の別の目的は、IEEE 802.3に規定されているように、８５、１００、１１５オームのケーブル抵抗許容範囲において最大５００ＭＨｚの帯域幅で−１２ｄＢのＲＬ（リターンロス）を提供するような磁気回路設計を提供することである。

また、本発明の別の目的は、ＯＣＬ（オープン回路インダクタンス）規定をIEEE 802.3に規定されている動作温度範囲を超えて１００ＫＨｚおよび１００ｍ Ｖｒｍｓで１９ｍＡのＤＣバイアス電流を満たす磁気回路設計を提供することである。

また、本発明の他の目的は、IEEE 802.3に規定されている動作温度範囲を超えて７００ｍＡの電流以上で処理可能な磁気回路設計を提供することである。

また、本発明の他の目的は、より高い磁気力とＤＣ電流バイアスが可能な新しく改良された磁気回路設計を提供することである。

また、本発明の別の目的は、０℃〜７０℃の非標準５００μＨインダクタンスを提供する新しく改良された磁気回路設計を提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、新規に改良された磁気回路設計を組み込んだコネクタおよび個別部品を提供することである。

つまり、それらの他の目的は、パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）インターフェースを提供することにより達成される。パワーオーバーイーサネット（登録商標）は、一実施形態において、単巻変圧器とコモンモードチョークを有し、他の実施形態では、単巻変圧器のみを有する。トロイダルコアの形状や材料、ワイヤの撚り線、ワイヤの配線、および、ワイヤの配索は、微調整され、接続を増やし、かつ、ワイヤ間の電気容量を減らすことにより、10GBase-Tのパフォーマンスに対して、最大５００ＭＨｚ以上またはそれ以上に帯域幅を最大化することができ、１００ＫＨｚ、１００ｍＶｒｍｓにおいて、５００μＨ、１９ｍＡのＤＣバイアスのＯＣＬを含むシステム仕様を満たすリターンロスや挿入損失を得られる。

一実施形態において、インターフェースは、ツイストペアケーブルからの差動信号を処理する少なくとも１つのチャネルを含む。各チャネルは、コモンモードチョーク（ＣＭＣ）と、コモンモードチョークに接続されるセンタートップ単巻変圧器と、を有する。一実施形態では、放射妨害波を抑制するためにコモンモードチョークが設けられている。単巻変圧器は、トロイドコアと、磁気巻線と、を有する。磁気巻線は、約３５〜３７ゲージの範囲、好ましくは３５ゲージで、互いに撚り合わせられた（約１２ツイスト／インチ）ペアのワイヤを備えた特別に設計された特徴を有する。また、磁気巻線は、約８〜１４巻きの範囲、好ましくは約１１巻きでコアに巻きつけられている。また、ＣＭＣは、トロイドコアと、磁気巻線と、を有する。その磁気巻線は、撚り合わされていなく、約６〜１２巻きの範囲、好ましくは９巻きでコアに巻きつけられているペアワイヤを備えている。ワイヤは、撚り合わされていない形状（非ツイスト形状）で、コモンモードチョークからインターフェースのデータ／電力入力ピンまで延びている。単巻変圧器およびコモンモードチョークの構造的特徴の組み合わせは、上記のようなチャネルが、10GBase-Tパワーオーバーイーサネット（登録商標）の規格を満たし、かつ、６０Ｗアプリケーションをサポートすることが可能な４チャネルインターフェースを提供する。第２実施形態のインターフェースでは、上述したものと同様の構造を有し、単巻変圧器のトロイドコアに巻き付けられたペアのツイストワイヤは、約３１〜３３ゲージの範囲、好ましくは３２ゲージワイヤである。この実施形態では、１００Ｗアプリケーションをサポートすることができる。

第３実施形態では、インターフェースが、ツイストペアケーブルからの差動信号を処理する少なくとも１つのチャネルを含む。各チャネルは、単巻変圧器を有し、コモンモードチョークのないインターフェースである。単巻変圧器のトロイダルコアは、軟質マンガン亜鉛フェライト材料で形成されており、単巻変圧器の磁気巻線は、２つの非ツイストワイヤを有する。各ワイヤは、約５〜１１巻きの範囲、好ましくは約８巻きで、一方向にコアの各セクターに巻きつけられ、そして、約２〜６巻きの範囲、好ましくは、約４巻きで他方向に巻き戻されている。各セクションのワイヤは、互いに接触しておらず、互いに撚り合わせられることなくインターフェースのデータ／電力入力ピンまで延びている。また、上述の４チャネルを有するインターフェースは、10GBase-Tパワーオーバーイーサネット（登録商標）に規定されている規定を満たし、６０Ｗアプリケーションをサポートすることができる。３０Ｗアプリケーションをサポートする第４実施形態では、２つのチャネルのみに電力が注入される第３実施形態と同じ回路を有する。

本発明によれば、インターフェースへの電力挿入は、エンドポイントＰＳＥまたはミッドスパン挿入モジュールのいずれかによって実現することができ、そのインターフェースは、表面実装パッケージおよびモジュラージャックコネクタに組み込むことができる。

本発明およびそれに付属する多くの利点のより完全な理解は、添付の図面に示される好ましい実施形態を参照することにより容易に理解されるだろう。

本発明の第１実施形態における10GBase-T伝送速度（４速度対応）用ＰｏＥデータ／ＤＣ電力インターフェースを提供する回路の接続形態を示す。 本発明の第１実施形態における図１に示す回路を組み込んだ10GBase-T伝送速度（４速度対応）用ＰｏＥデータ／電力インターフェースを提供する４チャネル回路の接続形態を示し、その回路は、６０Ｗアプリケーション用であり、その電気的仕様を含む。 本発明の第１実施形態における図２に示す回路接続形態を組み込んだ個別部品を示す概略アプリケーション図であり、その個別部品は、ミッドスパン電力挿入で、データインケーブル／コネクタとＤＣ電力／データツーエンド機器ケーブル／コネクタとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースに接続されて提供する。 本発明の第１実施形態における図２に示す回路接続形態を組み込んだ個別部品を示す概略アプリケーション図であり、その個別部品は、エンドスパン電力挿入（ＰＳＥ）で、電力／データ供給機器とＤＣ電力／データツーエンド機器／コネクタとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースに接続されて提供する。 本発明の第１実施形態における図１に示す回路の構成要素を備えた単巻変圧器のトロイドコアの正面図である。 本発明の第１実施形態における図１に示す回路の構成要素を備えた単巻変圧器のトロイドコアの側面図である。 本発明の第１実施形態における図１に示す回路の構成要素を備えた単巻変圧器の巻線トロイドコアの概略図である。 本発明の第１実施形態における図１に示す回路の構成要素を備えたコモンモードチョークの巻線トロイドコアに接続される単巻変圧器の巻きトロイドコアの概略図である。 本発明の第１実施形態における図２に示す４チャネル回路を組み込んだ表面実装パッケージのような個別部品の概略平面図であり、単巻変圧器とコモンチョークとの配置および端子ピンに対するワイヤの分配を示す。 本発明の第１実施形態における図２に示す４チャネル回路を組み込んだモジュラージャックの概略平面図であり、単巻変圧器とコモンモードチョークとの配置を示す。 １Ｇパフォーマンスにおける標準インターフェースの周波数に対してリターンロスのプロットである。 １Ｇパフォーマンスにおける標準インターフェースの周波数に対して挿入損失のプロットである。 本発明の第１実施形態における図２に示す４チャネル回路のチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対してリターンロスのプロットである。 本発明の第１実施形態における図２に示す４チャネル回路のチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対して挿入損失のプロットである。 本発明の第２実施形態における図１に示すものと同様の回路を組み込んだ10GBase-T伝送速度（４速度対応）用ＰｏＥデータ／電力インターフェースを提供する４チャネル回路の接続形態を示し、その回路は、１００Ｗアプリケーション用であり、その電気的仕様を含む。 本発明の第２実施形態における図１２に示す４チャネル回路を組み込んだモジュラージャックの概略平面図であり、単巻変圧器とコモンモードチョークとの配置を示す。 本発明の第３実施形態における回路を組み込んだ10GBase-T伝送速度用ＰｏＥデータ／電力インターフェースを提供する４チャネル回路の接続形態を示し、その回路は、６０Ｗアプリケーション用であり、その電気的仕様を含む。 本発明の第３実施形態における図１４の回路接続形態を組み込んだ個別部品を示す概略アプリケーション図であり、その個別部品は、ミッドスパン電力挿入で、データインケーブル／コネクタとデータ電力／データツーエンド機器ケーブル／コネクタとの間のデータ／電力インターフェースに接続されて提供する。 本発明の第３実施形態における図１４に示す回路の構成要素を構成する単巻変圧器のトロイドコアの正面図である。 本発明の第３実施形態における図１４に示す回路の構成要素を構成する単巻変圧器のトロイドコアの側面図である。 本発明の第３実施形態における図１４に示す回路の構成要素を構成する単巻変圧器の巻線トロイドコアの概略図である。 本発明の第３実施形態における図１４に示す４チャネル回路を組み込んだ表面実装パッケージのような個別部品の概略平面図であり、単巻変圧器の配置および端子ピンに対するワイヤの分配を示す。 本発明の第３実施形態における図１４に示す４チャネル回路のチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対してリターンロスのプロットである。 本発明の第３実施形態における図１４に示す４チャネル回路のチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対して挿入損失のプロットである。 本発明の第４実施形態における回路接続形態を組み込んだ個別部品を示す概略アプリケーション図であり、その個別部品は、ミッドスパン電力挿入で、データインケーブル／コネクタとＤＣ電力／データツーエンド機器／コネクタとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースに接続されて提供する。

図面を参照すると、いくつかの図面において同じ参照符号は、同一または対応する項目または部品を示す。図１は、本発明の第１実施形態における構成要素を具体化する10GBase-T（同様に、10Base-T、100Base-T、1GBase-T、すなわち４倍速対応）伝送用イーサネット（登録商標）のＰｏＥデータ／ＤＣ電力インターフェースを提供するシングルチャネルインターフェース１０の接続形態を示す。インターフェース１０は、ツイストペアケーブルからの差動信号を処理するように構成されている。シングルチャネルインターフェース１０は、コモンモードチョーク（ＣＭＣ）１２と、コモンモードチョーク１２に接続される単巻変圧器１４と、を有する。データ入力端子ＡおよびＢは、データ出力端子ＤおよびＥに接続されている。単巻変圧器１４は、インターフェース１０がＰｏＥインターフェース（登録商標）を構成するように、端子Ｃを介して直流（ＤＣ）電力を接続するセンタータップ１６を備えている。図１に示す全体的なインターフェース１０は、一般に従来のものである。その一方で、単巻変圧器のトロイダルコアおよびＣＭＣの形状と材料の新しい組み合わせ、ならびに、以下に詳細に説明するワイヤの撚り、ワイヤの分配、および、単巻変圧器とＣＮＣとのワイヤ配索は、接続を増やし、かつ、ワイヤ間の電気容量を減らすことにより、帯域幅を10GBase-Tパフォーマンスに対し最大５００ＭＨｚまたはそれ以上に最大化することが可能である。結果として、システム仕様を満たすリターンロスや挿入損失、および、ＯＣＬが得られる。

図２は、第１実施形態における図１の回路１０を４つ組み込んだ10GBase-T伝送用ＰｏＥデータ／電力インターフェースを提供する４チャネルインターフェース回路２０の接続形態を示す。４チャネルインターフェースの電気的仕様が示されている。

図３は、図２の４チャネル回路インターフェース２０を組み込んだ個別部品２２を示す概略アプリケーション図である。個別部品２２は、データ／ＤＣ電力インターフェースに接続されて、一端側におけるＲＪ−４５コネクタ２４を通るデータインケーブルと他端側におけるＲＪ−４５コネクタ２６を通るＤＣ電力／データツーエンド機器（ＰＤ）を提供するケーブルとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースを提供する。ミッドスパン電力挿入モジュール２８は、各単巻変圧器１４のセンタータップ１６を介してＤＣ電力を４つのチャネル１０のそれぞれに挿入する。また、コネクタおよびインターフェース２０の端子ピンの指定が、図に示されている。

同様に、図４は、図２の４チャネル回路インターフェース２０を組み込んだ個別部品３０を示す概略アプリーェション図である。個別部品３０は、データ／ＤＣ電力インターフェースに接続されて、一端側におけるデータ／電力機器（ＰＳＥ）３２とＲＪ４５コネクタ３４を通るＤＣ電力／データツーエンド機器（ＰＤ）を提供するケーブルとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースを提供する。ＰＳＥ３２は、各単巻変圧器１４のセンタータップ１６を介して、ＤＣ電力を４つのチャネル１０のそれぞれに挿入するエンドスパン挿入装置を備えている。コネクタおよびインターフェース２０の端子ピンの指示が、図に示されている。

図５Ａと図５Ｂを参照すると、第１実施形態によれば、単巻変圧器１４の各々は、トロイダルコア３６を有する。そのトロイダルコア３６は、軟質マンガン亜鉛（soft MnZn）とフェライトの高ＤＣバイアス材料混合物（high DC bias material blend）で形成され、より高いＤＣバイアス（１９ｍＡ）を達成するのに役立つ。そのコアは、外径３．４３ｍｍ、内径１．７８ｍｍ、高さ２．５４ｍｍを有する。それらの寸法は、本発明に従って約±１５％の範囲で変化することができる。このコアのみの使用は、必要な接続、および、電気的仕様を達成するのに必要なワイヤ間の電気容量の低減、を達成するには不十分である。コアは、パッケージングの制約内でより高いＤＣバイアス（１９ｍＡ）を達成するように選択されていた。しかしながら、以下に説明するように、コア３６は、特定のＣＭＣ構造、ワイヤの撚りおよび配索と共に使用する際、図２に示す仕様を満たすのに十分な寄生容量を中和する。

1GBase−T伝送速度における従来のコア設計は、８ｍＡのＤＣバイアスを満たすために必要とされているだけであり、より長いワイヤゲージや電流に対して、必要な処理を行うことができない。従来のコア設計は、１００ｍＶ、８ｍＡのＤＣバイアスにおいて、１００ＫＨｚで約３５０μＨのＯＣＬを満たすだけである。

特定のコア寸法および材料は、十分なワイヤをコアに巻き付けることを可能にするために選択されており、０℃〜７０℃で１００ｍＶ、１９ｍＡのＤＣバイアスにおいて、１００ＫＨｚで５００μＨのＯＣＬが得られる。その一方で、パッケージの制約がコアの拡大を妨げていたため、これは完全には達成されなかった。しかしながら、それは、以下に記載するワイヤ構成との組み合わせによりＣＭＣのインピーダンスまたはインダクタンス（正相）を使用することによって、所望の結果が得られたことがわかった。

図２や図６を参照すると、各チャネルのデータ出力ピン間、すなわち、ピン２２と２３の間、ピン１９と２０との間、ピン１６と１７との間、そして、ピン１３と１５との間、の電気容量（巻線間電気容量）がある。従来の１Ｇアプリケーションと同様に２本の非ツイストワイヤを使用してコア３６に巻き付けられている場合、図２に示す電気的仕様を満たすことは不可能であるということがわかった。しかしながら、コア３６に１２ツイスト／インチ(tpi、トラック／インチ)で撚り合わされた２本の３６ゲージワイヤで１１巻き巻き付けることにより、容量性負荷容量や寄生巻線容量、および、ワイヤ・コア間の電気容量は、５００ＭＨｚを超える周波数まで十分に低減する。このため、所望のパッケージスペースでコア３６を使用することが可能である。ワイヤ３８のゲージは、本発明の範囲内において、約３５〜３７ゲージの範囲とすることができる。

単巻変圧器コアおよびＣＭＣコアにおけるワイヤの巻数は、本発明の範囲内で、この実施形態および以下に記載される実施形態において、±３巻きで変化することができる。

図７を参照すると、ＣＭＣ１２は、高周波数のインダクタンスに対して高い自己共振周波数（ＳＲＦ）を可能にする低透磁率のトロイダルコア４０を備えている。ＣＭＣ１２は、２つの機能を有する。１つの機能は、システムノイズを低減するコモンモードノイズ抑制器であり、もう１つの機能は、単巻変圧器の周波数を超えて寄生容量を中和することである。特に、単巻変圧器１４のワイヤ３８の撚りに加えて、ＣＭＣ１２のインダクタンスは、２本巻きによるコアの残りの電気容量を中和するのに役立つ。ＣＭＣ１２に９巻きの巻線４２を設けると、最大５００ＭＨｚまでの最大インピーダンス／インダクタンスが得られ、図２に示す仕様を満たすことがわかった。

ワイヤゲージは、２００μｓに対して、連続した７２０ｍＡのＤＣと最大１．２Ａの通電要件を満たすために使用される。しかしながら、より大きなワイヤの使用は、最大５００ＭＨｚまでのパフォーマンスに対し中和する必要がある容量性負荷を増加させる。

図８を参照すると、単巻変圧器１４とコモンモードチョーク１２との配置と、図２に示された４チャネル回路インターフェース２０を組み込んだ個別部品４４、例えば、表面実装パッケージ、の端子ピンの分配および配線が示されている。シャント抵抗を低く保つために、ＣＭＣ１２とデータ出力端子ピン２２、２３の間に延びる２つのワイヤ部４６が、撚り合わされていない。他のチャネルにおいても同様である。これは、それらが１２５ＭＨｚ以上の要件を満たす必要がないため、想定される放射妨害波を減らすために、差動ペアが一般に端子ピンに撚り合わせられている１Ｇのアプリケーションと比較される。

図９は、モジュラージャック４８を示し、図２に示された４チャネル回路２０が組み込まれており、単巻変圧器１４とコモンモードチョーク１２の配置が示されている。

図１０Ａは、標準的な１Ｇパフォーマンスにおける周波数に対するリターンロスのプロットであり、６つのキー周波数に対する値を記載している。図１０Ａは、本発明の第１実施形態における図１１Ａと比較される。図１１Ａは、本発明の第１実施形態において１つのチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対するリターンロスの同様のプロットである。１００ＭＨｚ以上の周波数で、１０Ｇパフォーマンスにおける本発明のリターンロスが、標準的な１０Ｇパフォーマンスのリターンロスよりも良い（より負である）ことに留意されたい。

図１０Ｂは、標準的な１Ｇパフォーマンスにおける周波数に対するリターンロスのプロットであり、６つのキー周波数に対する値を記載している。図１０Ｂは、本発明の第１実施形態における図１１Ｂと比較される。図１１Ｂは、本発明の第１実施形態において１つのチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対する挿入損失の同様のプロットである。３００ＭＨｚ以上の周波数で、１０Ｇパフォーマンスにおける本発明の挿入損失が、良くなっている（より負ではない）ことに留意されたい。

図１２を参照すると、10GBase-T伝送速度（４速度対応）用ＰｏＥデータ／ＤＣ電力インターフェース５０を提供する４チャネル回路の接続形態が示されている。４チャネル回路には、本発明の第２実施形態において、１００Ｗアプリケーションに対し４つのシングルチャネル回路５２が組み込まれており、１００Ｗアプリケーションの電気的仕様が含まれる。シングルチャネル回路５２のそれぞれは、第１実施形態のＣＭＣ１２と同一のＣＭＣ１２と、単巻変圧器５４と、を有する。単巻変圧器５４は、３６ゲージワイヤの代わりに３２ゲージワイヤが使用されることを除いて、第１実施形態に関して上述したものと同様の、コア、巻線の構成、ワイヤ分配、配線を有する。

図１２に示す４チャネル回路のインターフェース５０を組み込んだモジュラージャック５６は、図１３に示されており、単巻変圧器５４とＣＭＣ１２の配置が示されている。

図１４は、本発明の第３実施形態における構成要素を具体化したイーサネット（登録商標）10GBase-T（４速度対応）用ＰｏＥデータ／ＤＣ電力インターフェース６０を提供する４チャネル回路の接続形態を示す。インターフェース６０は、ツイストペアケーブルからの差動信号を処理する。また、インターフェース６０は、４つのシングルチャネル回路６２を有し、各シングルチャネル回路６２は、単巻変圧器６４を有する。単巻変圧器のそれぞれには、ＤＣ電力を回路に結合するためのセンタータップ６６が設けられている。以下に詳細に記載するように、図１４に示す全体的なインターフェース６０は、一般的に従来のものである。その一方で、単巻変圧器のトロイダルコアの幾何学的形状と材料の新たな組み合わせ、単巻変圧器におけるワイヤの撚り、ワイヤの分配、および、ワイヤの配索は、接続を増やし、かつ、ワイヤ間の電気容量を減らすことにより、帯域幅を10GBase-Tパフォーマンスに対し最大５００ＭＨｚまたはそれ以上に最大化することを可能にする。その結果、システム仕様を満たすリターンロスや挿入損失、ＯＣＬが得られる。

図１５は、図１４の４チャネル回路インターフェース６０を組み込んだ個別部品６８を示す概略的なアプリケーション図である。個別部品６８は、データ／ＤＣ電力インターフェースに接続され、一端側におけるＲＪ４５コネクタ７０を通るデータインケーブルと他端側におけるＲＪ４５コネクタ７２を通るＤＣ電力／データツーエンド機器（ＰＤ）を提供するケーブルとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースを提供する。ミッドスパン電力挿入モジュール７４は、各単巻変圧器６４のセンタータップ６６を介してＤＣ電力を４チャネル６４のそれぞれに挿入する。コネクタおよびインターフェース６０の端子ピンの指定が、図に示されている。

図１６Ａと図１６Ｂを参照すると、第３実施形態によれば、単巻変圧器６４のそれぞれは、トロイダルコア７６を備える。そのトロイダルコア７６は、軟質フェライトとマンガン亜鉛の高ＤＣバイアス混合材料で形成される。コアの材料は、パッケージサイズ制限内で、より高いＤＣバイアス（１９ｍＡ）を達成するのに役立つ。従来の１Ｇ設計では、従来のコアをより小さくすることができるように、８ｍＡのＤＣバイアスを満たすことだけが必要とされている。

各コア７６は、外径４．５ｍｍ、内径２．０３ｍｍ、高さ２．７２ｍｍを有する。それらの寸法は、本発明に従って約±１５％の範囲で変化することができる。それら寸法が必要とされる標準的なパッケージに合わせていても、前述の特性を有するコアの使用は、必要な接続や電気的使用を達成するのに必要な配線間電気容量の低減を達成するには、単独では不十分である。特に、特定のコア寸法や材料は、０℃〜７０℃で１００ｍＶと１０ｍＡのＤＣバイアスにおいて、１００ＫＨｚで最小４２５μＨの必要なＯＣＬを満たすシングルレイヤーで十分にワイヤをコアに巻き付けることを可能にするために、選択されていた。それにもかかわらず、これは完全に達成しておらず、パッケージの制約がコアの拡大を妨げていた。しかしながら、コア７６が、特定の方法で巻き付けられていれば、必要とされる仕様が達成されることがわかった。

特に、図１７を参照すると、ワイヤ７８、８０は、３４ゲージワイヤであり、それらの端部で、２０°のギャップで分離された２つのセクションにおいて、コア７６に巻き付けられる。各ワイヤは、各１６０°セクションにわたって一方向に均一に８巻きで巻き付けられ、そして、他方向に４巻き巻き戻されている。各セクションにおけるワイヤは、互いに接触していない。これは、０°〜７０℃で１００ｍＶと８ｍＡのＤＣバイアスにおいて、１００ＫＨｚで最小約３５０μＨを満たすことだけを必要とする従来の１Ｇアプリケーションとは異なる。１Ｇアプリケーション用の従来の巻線は、互いに接して共に巻き付けられている２つのワイヤを有する。ワイヤ７８、８０のゲージは、本発明の範囲内で、約３２〜３６ゲージの間の範囲にすることができる。

図１４と図１８を参照すると、各チャネルのデータ出力ピン間、すなわち、ピン２２と２３、ピン１９と２０、ピン１６と１７、および、ピン１３と１４の電気容量（巻線間容量）がある。従来の１Ｇアプリケーションと同様に２本のワイヤを使用してコア７６に巻き付けられている場合、図２に示す仕様を満たすことは不可能であるということがわかった。しかしながら、巻線間にギャップを残して２つのセクションでコア７に巻き付けることにより、容量性負荷または寄生巻線容量は、５００ＭＨｚを超える周波数まで大幅に低減する。このため、コア７６を既定のパッキングスペースで用いることができる。

ワイヤゲージは、２００μｓの間、連続した７２０ｍＡのＤＣと最大１．２Ａの通電要件を満たすために使用される。しかしながら、より大きなワイヤの使用は、最大５００ＭＨｚまでのパフォーマンスに対し中和する必要がある容量性負荷を増加させる。

図１８には、単巻変圧器６４の配置、および、ワイヤと表面実装パッケージのような個別部品８２の端子ピンとの分配および配線が示されており、図１４に示す４チャネルインターフェース６０が組み込まれている。シャント抵抗を低く保つために、単巻変圧器とデータ出力端子ピン２２、２３との間に延びる２つのワイヤ部分８４は、撚り合わされていない。他のチャネルでも同様である。１Ｇアプリケーションでは、一般に、約１２５ＭＨｚ以上の要件を満たす必要がないので、差動ペアは、ピン端子接続部で撚り合わされて、放射妨害波を減らす。

図１９Ａは、本発明の第３実施形態における１つのチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対するリターンロスのプロットである。１０Ｇにおける本発明のリターンロスが、１００ＭＨｚ以上の周波数で、標準１Ｇパフォーマンスのリターンロス（図１０Ａを参照）よりも改善されている（より負である）ことに留意されたい。

図１９Ｂは、本発明の第３実施形態における１つのチャネルの１０Ｇパフォーマンスにおける周波数に対する挿入損失のプロットである。１０Ｇにおける本発明の挿入損失が、３００ＭＨｚ以上の周波数で、標準１Ｇパフォーマンスの挿入損失よりも改善されている（より負ではない）ことに留意されたい。

図２０を参照すると、個別部品９０は、第４実施形態において、４チャネル回路インターフェース９２を組み込んでいる。個別部品９０は、データ／ＤＣ電力インターフェースに接続され、一端側におけるＲＪ４５コネクタ９４を通るデータインケーブルと他端側におけるＲＪ４５コネクタ９６を通るＤＣ電力／データツーエンド機器（ＰＤ）を提供するケーブルとの間のデータ／ＤＣ電力インターフェースを提供する。４チャネルインターフェース９２は、４つのシングルチャネルインターフェース９８Ａ、９８Ｂ、９８Ｃ、および、９８Ｄを有する。電力は、ミッドスパン接続モジュールを、第３実施形態に関連して説明した構成と同じ構造の単巻変圧器６４のセンタータップに接続することによって、シングルチャネルインターフェース９８Ｃと９８Ｄの２つのみに挿入される。４チャネルインターフェース９２は、３０ワットアプリケーション用である。

上記の説明の観点から、本発明は種々な変形や応用が可能である。すなわち、本明細書に添付の特許請求の範囲内で、本明細書に具体的に開示された以外の方法で本発明を実施することができることが理解される。

Claims (31)

10GBASE-Tイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）インターフェースにおいて、
ツイストペアケーブルからの差動信号を処理する少なくとも１つの通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースを有し、各通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースは、コモンモードチョークと、前記コモンモードチョークに接続される単巻変圧器と、を含み、
前記単巻変圧器は、単巻変圧器トロイドコア、前記単巻変圧器トロイドコア上の単巻変圧器磁気巻線、及び直流（ＤＣ）電力に接続するセンタータップ、を有する磁気コアを含み、
前記単巻変圧器磁気巻線は、撚り合わせられた３５〜３７ゲージの範囲で８〜１４巻きのペアワイヤで構成され、
前記コモンモードチョークは、チョークトロイドコア及び磁気チョーク巻線を有する磁気チョークコアを含み、
前記磁気チョーク巻線が、６〜１２巻きの非ツイストペアワイヤで構成され、
前記非ツイストペアワイヤの部分が、非ツイスト形状で、前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースのデータ／電力入力ピンまで延びている
ことを特徴とする10GBase-Tイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）インターフェース。

前記単巻変圧器磁気巻線のワイヤが、３６ゲージであり、１２ツイスト／インチで撚り合わされている
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器磁気巻線が、１１巻きで構成され、
前記磁気チョーク巻線が、９巻きで構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器の磁気コアが、マンガン亜鉛フェライト材料で形成され、２．９２ｍｍ〜３．９４ｍｍの範囲の外径と、１．５１ｍｍ〜２．０５ｍｍの範囲の内径と、２．１６ｍｍ〜２．９２ｍｍの範囲の高さを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器の磁気コアの外径が、３．４３ｍｍであり、
前記単巻変圧器の磁気コアの内径が、１．７８ｍｍであり、
前記単巻変圧器の磁気コアの高さが、２．５４ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

４つの前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

２つの前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のセンタータップに接続されるミッドスパン電力装置（ＰＳＥ）と組み合わせた
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のセンタータップに接続されるエンドポイントＰＳＥと組み合わせた
ことを特徴とする請求項１に記載のＰｏＥインターフェース。

請求項１に記載のＰｏＥインターフェースを含むハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記ＰｏＥ（登録商標）インターフェースと電気的に接続される複数の端子ピンと、を有する
ことを特徴とする表面実装パッケージ。

前記請求項１に記載のＰｏＥインターフェースを含むハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記ＰｏＥインターフェースと電気的に接続される複数の端子ピンと、を有する
ことを特徴とするモジュラージャック。

10GBASE-Tイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）（登録商標）インターフェースにおいて、
ツイストペアケーブルからの差動信号を処理する少なくとも１つの通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースを有し、各通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースは、単巻変圧器を含み、コモンモードチョークを含まず、
前記単巻変圧器は、トロイドコア、及び前記トロイドコア上の磁気巻線、を有する磁気コアを含み、
前記トロイドコアは、軟質マンガン亜鉛フェライト材料で形成され、２．９２ｍｍ〜３．９４ｍｍの範囲の外径と、１．７３ｍｍ〜２．３３ｍｍの範囲の内径と、２．３２ｍｍ〜３．１２ｍｍの範囲の高さを有し、
前記磁気巻線は、２つの非ツイストワイヤを有し、
各非ツイストワイヤは、一方向に前記トロイドコアの各セクターの周りに５〜１１巻きで巻き付けられ、そして、他方向に２〜６巻きで巻き戻され、
各セクションにおけるワイヤは互いに接触しておらず、
前記非ツイストワイヤの部分は非ツイスト形状で前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースのデータ／電力入力ピンまで延びている
ことを特徴とする10GBase-Tイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）インターフェース。

前記磁気巻線のワイヤが、３２〜３６ゲージの範囲である
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記磁気巻線のワイヤのそれぞれが、一方向に前記トロイドコアの各セクターの周りに８巻きで巻き付けられ、そして、他方向に４巻きで巻き戻される
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のトロイドコアが、４．５ｍｍの外径と、２．０３ｍｍの内径と、２．７２ｍｍの高さと、を有する
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

４つの前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースで構成されている
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のセンタータップに接続されるミッドスパン電力装置（ＰＳＥ）と組み合わせた
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のセンタータップに接続されるエンドポイントＰＳＥと組み合わせた
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

請求項１２に記載のＰｏＥインターフェースを含むハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記ＰｏＥインターフェースと電気的に接続される複数の端子ピンと、を有する
ことを特徴とする表面実装パッケージ。

前記請求項１２に記載のＰｏＥインターフェースを含むハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記ＰｏＥインターフェースと電気的に接続される複数の端子ピンと、を有する
ことを特徴とするモジュラージャック。

２つの前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースと、単巻変圧器を含まない２つの追加データだけの通信インターフェースと、で構成される
ことを特徴とする請求項１２に記載のＰｏＥインターフェース。

10GBASE-Tイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）インターフェースにおいて、
ツイストペアケーブルからの差動信号を処理する少なくとも１つの通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースを有し、各通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースは、コモンモードチョークと、前記コモンモードチョークに接続される単巻変圧器と、を有し、
前記単巻変圧器は、単巻変圧器トロイドコア、前記単巻変圧器トロイドコア上の単巻変圧器磁気巻線、及び直流（ＤＣ）電力に接続するセンタータップ、を有する磁気コアを含み、
前記単巻変圧器磁気巻線は、撚り合わせられた３５〜３７ゲージの範囲で８〜１４巻きのペアワイヤで構成され、
前記コモンモードチョークは、チョークトロイドコア、及び磁気チョーク巻線を有する磁気チョークコアを含み、
前記磁気チョーク巻線が、６〜１２巻きの非ツイストペアワイヤで構成され、
前記非ツイストペアワイヤの部分が、非ツイスト形状で、前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースのデータ／電力入力ピンまで延びている
ことを特徴とする10GBase-Tイーサネット（登録商標）用パワーオーバーイーサネット（登録商標）（ＰｏＥ）インターフェース。

前記単巻変圧器磁気巻線の電線が、３６ゲージであり、１２ツイスト／インチで撚り合わされている
ことを特徴とする請求項２２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器磁気巻線が、１１巻きで構成されている
ことを特徴とする請求項２２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器の磁気コアが、マンガン亜鉛フェライト材料で形成され、２．９２ｍｍ〜３．９４ｍｍの範囲の外径と、１．５１ｍｍ〜２．０５ｍｍの範囲の内径と、２．１６ｍｍ〜２．９２ｍｍの範囲の高さを有する
ことを特徴とする請求項２２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器の磁気コアの外径が、３．４３ｍｍであり、前記単巻変圧器の磁気コアの内径が、１．７８ｍｍであり、
前記単巻変圧器の磁気コアの高さが、２．５４ｍｍである
ことを特徴とする請求項２５に記載のＰｏＥインターフェース。

４つの前記通信チャネルイーサネット（登録商標）インターフェースで構成されている
ことを特徴とする請求項２２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のセンタータップに接続されるミッドスパン電源装置（ＰＳＥ）と組み合わせた
ことを特徴とする請求項２２に記載のＰｏＥインターフェース。

前記単巻変圧器のセンタータップに接続されるエンドポイントＰＳＥと組み合わせた
ことを特徴とする請求項２２に記載のＰｏＥインターフェース

請求項２２に記載のＰｏＥインターフェースを含むハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記ＰｏＥインターフェースと電気的に接続される複数の端子ピンと、を有する
ことを特徴とする表面実装パッケージ。

前記請求項２２に記載のＰｏＥインターフェースを含むハウジングと、
前記ハウジングに固定され、前記ＰｏＥインターフェースと電気的に接続される複数の端子ピンと、を有する
ことを特徴とするモジュラージャック。

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