KR101746344B1 - 이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원 시스템 및 이더넷 전원 시스템에 의해 수행되는 방법 - Google Patents

이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원 시스템 및 이더넷 전원 시스템에 의해 수행되는 방법 Download PDF

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Abstract

PoE 시스템에 의해 수행되는 방법에서, PSE는 PD가 표준 이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신하는 데 호환되는지를 검출할 수 있다.　 PSE는, 검출 단계 동안, 케이블에서 제1 와이어 페어와 제2 와이어 페어에 전류 제한 전압을 제공하여, PD의 특성 임피던스를 검출한다.　 PSE에서, 제1 저항기가 제3 와이어 페어에 연결되고 제2 저항기가 제4 와이어 페어에 연결된다.　 검출 단계 동안, PSE는 저항기들을 통한 상대 전류들을 검출한다.　 이 전류들이 동일하다면, PSE는 PD가 4개 와이어 페어들을 통해 전력을 수신할 수 있다는 것을 안다.　 그 후 PSE는 최대 PoE 전압을 제1 와이어 페어와 제2 와이어 페어에 인가하고 제3 와이어 페어와 제4 와이어 페어를 MOSFET를 통해 저전압에 연결한다.

Description

이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원 시스템 및 이더넷 전원 시스템에 의해 수행되는 방법{A POWER OVER ETHERNET(PoE) SYSTEM FOR SUPPLYING POWER VIA FOUR WIRE PAIRS IN AN ETHERNET CABLE AND A METHOD PERFORMED BY A PoE SYSTEM}
<관련 출원들의 상호 참조> 이 출원은 본 명세서에 참고로 포함되는, Michael Paul 등이, 2014년 1월 30일에 출원한 미국 가출원 제61/933,707호에 대한 우선권을 주장한다.
이 발명은 이더넷 전원(Power Over Ethernet, PoE)과 같은 시스템들에 관한 것으로, 이 시스템에서는 데이터 회선들을 통하여 전력이 전송되고 최대(full) PoE 전압이 데이터 회선들에 인가되기 전에 루틴이 수행된다. 이 발명은 더 상세하게는 4개의 와이어 페어들을 통한 전력 전달을 위해 파워 장치(Powered Device, PD)가 PoE 가능한(PoE-enabled) 것임을 전원 공급 장비(Power Sourcing Equipment, PSE)에게 확인해주는 스킴에 관한 것이다.
원격 장비에 전력을 공급하기 위해 데이터 회선을 통하여 전력을 전송하는 것이 공지되어 있다. 이더넷 전원(PoE)은 하나의 그러한 시스템의 예이다. PoE에서는, 제한된 전력이 이더넷 스위치로부터 이더넷 접속 장비(예컨대, VoIP 전화기, WLAN 송신기, 보안 카메라, 등등)에 전송된다. 스위치로부터의 DC 전력이 표준 CAT-5 케이블링에서 2개의 세트의 트위스티드 페어 와이어들을 통하여 전송된다. 이 2개의 세트의 트위스티드 페어 와이어들은 또한 차동 데이터 신호들을 전송할 수 있는데, 그 이유는 DC 공통 모드 전압이 데이터에 영향을 미치지 않기 때문이다. 이렇게 하여, "파워 장치들"(PD들)에 임의의 외부 전원을 제공할 필요가 제거될 수 있다. PoE에 대한 표준들은 본 명세서에 참고로 포함된 IEEE 802.3에 발표되어 있다. CAT-5 케이블은 4개의 트위스티드 와이어 페어들을 가지고 있고, 이 와이어 페어들 중 2개는 전형적으로 사용되지 않는다.
데이터 회선들을 통하여 전력을 제공하는 것은 다른 기존의 시스템들 및 미래의 시스템들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 자동차의 전자 장비가 배선을 줄이기 위해 그 장비에 대한 전력이 데이터 회선들을 통하여 제공되는 것으로부터 혜택을 입는 경우가 점점 더 많아질 것이다. 데이터 회선들을 통한 전력을 이용하는 다양한 새로운 시스템들이 IEEE 또는 다른 그룹들에 의해 표준화될 수 있다.
본 발명은 최대 PoE 전압이 와이어 페어들에 인가되어야 한다는 어떤 종류의 표시를 PD에 요구하는 시스템들에 적용된다. 본 발명은 데이터 회선들을 통한 전력을 이용하는 임의의 시스템에 적용될 수 있지만, 전형적인 PoE 시스템이 예로서 설명될 것이다.
도 1은 PoE를 이용하는 전형적인 이더넷 시스템을 나타낸다. 도 1의 예에서, "전원 공급 장비"(PSE)(12)는 PD에 전력과 데이터를 공급하는 임의의 이더넷 장치일 수 있다. PSE(12)와 PD(14)는 전형적으로 표준 이더넷 8-핀(4개 트위스티드 페어) RJ45 커넥터로 종단되는 표준 CAT-5 케이블을 통해 연결된다. 전형적으로 트위스티드 페어들 중 2개만이 PoE 및 데이터를 위해 요구된다.
PSE(12)는 전형적으로 간선(mains) 전압(120VAC)에 의해 전력을 공급받고 외부 또는 내부 전압 컨버터(16)를 이용하여 44-57 볼트 사이의 DC 전압을 발생시킨다. PoE 표준들은 PSE에게 PD에서 최소 37 볼트를 공급할 것을 요구한다. 케이블을 따른 전압 강하는 거리에 따라 증가한다.
2개의 트위스티드 페어들(18 및 20)이 PoE 전력을 전달하기 위해 할당되고, 이 페어들은 또한 차동 데이터를 전달할 수 있다. 나머지, 사용되지 않는 2개의 페어들(21 및 22)도 도시되어 있다. 사용중인 모든 페어들은 PD(14)에서 변압기들(23 및 24)과 같은 변압기들에 의해 종단된다. 트위스티드 페어(18)는 44 볼트를 제공하고 트위스티드 페어(20)는 접지에 또는 어떤 다른 저전압에 연결되어 있다고 가정한다. PD(14)에 44 볼트를 제공하기 위해 변압기들(23 및 24)의 중심 탭(tap)에 연결이 이루어진다. DC 전압은 공통 모드이므로, 그것은 차동 데이터에 영향을 미치지 않는다. 변압기들로부터 하류 측에 극성 정정 회로(다이오드 브리지)와 같은, 다른 종래의 종단 회로가 또한 PD 종단 블록(25)에 포함되지만, 본 발명과는 관련이 없다.
44 볼트는 DC-DC 컨버터(26)에 인가되고 이 컨버터는 그 전압을 PD(14)가 요구하는 임의의 전압 또는 전압으로 변환한다. 부하(28)(예컨대, 보안 카메라)는 컨버터(26)에 의해 전력을 공급받고 트위스티드 와이어 페어들을 통해 PSE(12)와 통신한다.
IEEE 표준들은 PoE-파워 장치의 존재를 검출하기 위하여 그리고 PSE(12)가 최대 전력을 PD(14)에 이용 가능하게 하기 전에 PSE(12)와 PD(14)의 관련 특성들을 전달하기 위하여 PSE(12)와 PD(14) 사이에 어떤 저전류 핸드셰이킹 절차들을 요구한다. 검출/분류 회로(29)는 핸드셰이킹 루틴을 제어하고, 상태 기계, 프로세서, 또는 임의의 다른 적합한 제어 회로일 수 있다. PSE(12)는 또한 핸드셰이킹 루틴을 수행하기 위한 회로를 포함한다. 핸드셰이킹 루틴을 수행하기 위한 회로들은 잘 알려진 IC들이다.
다음은 PSE(12)와 PD(14) 사이의 핸드셰이킹 루틴을 간단히 요약한 것이다.
PSE(12)가 먼저 이더넷 케이블을 통해 PD(14)에 연결될 때, PSE(12)는 PD(14)에 질문하여 그것이 PoE 가능한 것인지를 알아낸다. 이 기간을 검출 단계(detection phase)라고 한다. 이 검출 단계 동안에, PSE(12)는, 트위스티드 와이어 페어들(18 및 20)을 통해, 고정된 간격 동안 제1 전류 제한 전압을 PD(14)에 인가하고, 그 후 고정된 간격 동안 제2 전류 제한 전압을 인가하면서, 결과로 생긴 전류를 검출함으로써 PD(14)의 특성 임피던스(약 25k 옴)를 찾는다. 정확한 임피던스가 검출되지 않는다면, PSE(12)는 해당 부하가 PoE 가능한 것이 아니라고 추정하고 PoE 발생 단부(end)를 셧다운한다. 그 후 시스템은 표준 이더넷 연결로서 동작한다.
검출은 2개의 전압 제한 전류를 이용하여 행해질 수도 있다.
특징(signature) 임피던스가 검출된다면, PSE(12)는 옵션인 분류 단계(classification phase)로 넘어간다. PSE(12)는 PD(14)에 대한 전압을 증가시킨다. PSE(12)는 하나의 펄스(그것이 타입 1 PSE임을 나타냄) 또는 2개의 펄스(그것이 타입 2 PSE임을 나타냄)를 발생시킨다. PD(14)는 그 분류 펄스들에 대해 특정 전류 레벨들로 응답하여 그 PD(14)가 타입 1인지 타입 2인지를 확인해준다. 타입 1 PD는 13W 미만을 요구한다. 타입 2 PD는 최대 25.5 W까지 요구한다. 이러한 타입들 내에서, 최대 평균 전류 레벨 및 최대 순간 전류 레벨과 각각 연관되는 다양한 부류들(예컨대, 5개의 부류들)이 또한 식별될 수 있다. 그 후 PSE(12)는 이 전력 요구 정보를 이용하여 그것이 필요한 전력을 PD(14)에 공급할 수 있는지를 알아내고, PD(14)는 이 정보를 이용하여 그것이 PSE(12)와 함께 충분히 동작할 수 있는지를 알아낸다. 검출 및 분류 단계들에 대한 최대 시간 윈도우들(예컨대, 500 ms)이 있다.
미래에는 다른 유형의 검출 및 분류 루틴들 및 표준들이 구현될 수 있다.
검출 및 분류 단계들이 완료되면, PSE(12)은 그것의 출력 전압을 42V 위로 증가시킨다. PD(14)에서 UVLO(under-voltage lockout) 임계치가 검출되면, 내부 FET가 온으로 되어 최대 PoE 전압을 컨버터(26)에 연결하고, 컨버터(26)는 조정된(regulated) DC 전압을 부하(28)에 공급한다. 이 시점에, PD(14)는 정상적으로 동작하기 시작하고, 그것은 입력 전압이 필요한 레벨 위에 있는 한 계속해서 정상적으로 동작한다.
고전력 응용과 같은 어떤 유형의 PoE 응용에 대해서는, 2개의 와이어 페어를 통하여 양의 전압을 인가하고 나머지 2개의 와이어 페어를 통하여 저전압(예컨대, 0 볼트)을 인가하는 것이 바람직하다. 따라서, 부하 전류는 4개의 와이어 페어들에 의해 공유된다. 이것을 행하는 종래의 방식은 양의 전압을 제1 와이어 페어에 공급하고 저전압을 제2 와이어 페어에 공급하는 제1 PSE를 이용하고, 양의 전압을 제3 와이어 페어에 공급하고 저전압을 나머지 제4 와이어 페어에 공급하는, 제1 PSE와 동일한, 제2 PSE를 이용하는 것이다. PSE 전력은 분리된 전력 공급 장치들을 이용해 인가되며, 따라서 저전압은 0 볼트일 수도 있지만 접지가 아니라는 점에 유의한다.
각 PSE는 독립적으로 검출 및 분류 루틴을 수행하여 PD가 PoE 가능한 것인지를 알아낸다. 이러한 유형의 PoE 시스템의 단점은 2개의 완전한 PSE 시스템들이 요구되어, 시스템에 비용과 사이즈가 증가된다는 것이다.
고전력 응용을 가능하게 하기 위해 이더넷 케이블에서 4개의 모든 와이어 페어들을 이용하고, 단 하나의 PSE만이 요구되는, PD에 전력을 공급하는 새로운 기법이 요구되고 있다.
단 하나의 PSE가, 종래의 CAT-5 이더넷 케이블을 통해, PD에 전력을 공급하고, 4개의 모든 트위스티드 와이어 페어들이 DC 전력을 PD에 공급하여 잠재적으로 고전력을 PD에 공급한다. 페어들 중 2개(페어 1 및 페어 2)가 양의 전압을 공급하고, 나머지 2개의 페어들(페어 3 및 페어 4)은 저전압(예컨대, 0 볼트)에 연결된다. 다른 실시예에서, 공급된 전압들은 다른 전압 레벨들일 수 있는데, 그 이유는 PD가 전압 차이에 의해 전력을 공급받기 때문이다. 변압기 종단은 여전히 차동 데이터가 와이어 페어들을 통하여 전송되게 해준다.
저전압/검출 단계(IEEE 표준들에 의해 명시됨) 동안에, PSE는 전류 제한 전압을 페어 1 및 페어 2에 인가하여 PD가 PoE 가능한 것임을 나타내는 PD의 특정 특성 임피던스를 검출한다. 다른 검출 기법들이 이용될 수 있다. 25k 옴 저항기가 PD에서 페어들 1/2 및 페어들 3/4를 가로질러 연결되어 있다고 가정하면, 특성 전류가 페어 3 및 페어 4를 통하여 흐를 것이다.
제1의 낮은 값 저항기 R1의 하나의 단부는 페어 3에 연결되고, 제2의 동일 값 저항기 R2의 하나의 단부는 페어 4에 연결된다. 저항기들 R1 및 R2의 다른 단부들은 함께 결속되어 전류 센서에 연결된다. 이 공통의 단부는 또한 MOSFET(또는 다른 유형 스위치)에 연결되고 이 MOSFET는 온으로 될 때 페어 3 및 페어 4를 저전압에 연결시킬 수 있다.
저전압/전류 검출 단계 동안, PoE는 MOSFET가 온인 동안 저항기들 R1 및 R2를 통하여 각각의 전류들을 동시에 검출한다. 다른 실시예에서, MOSFET는 오프일 수 있고 저항기들 R1 및 R2는 검출 단계 동안 다른 연결에 의해 저전압에 연결된다. 페어 3 및 페어 4가 "단일 채널 PD"에서 PD에 함께 연결된다면, 거의 동일한 전류들이 검출 단계 동안 페어 3과 페어 4 모두를 통하여 흐를 것이다. PD가 "이중 채널 PD"라면, 별개의 25k 옴 저항기들이 페어 3과 페어 4에 연결될 것이고, 유사한 전류들이 여전히 저항기들 R1 및 R2를 통하여 흐를 것이다.
전류들이 거의 동일하고 PD의 특성들이 PoE 가능한 것이라면, PSE는 최대 양의 전압을 페어 1 및 페어 2에 공급하고 MOSFET를 온으로 유지하여 페어 3 및 페어 4를 접지 또는 다른 저전압에 연결한다. 검출 단계 동안에 MOSFET가 오프이고 저항기들 R1 및 R2가 다른 연결에 의해 저전압에 연결되는 실시예에서, MOSFET는 그 후 검출 단계의 끝에 온으로 되고 저항기들 R1 및 R2를 저전압에 연결하는 유일한 연결이 된다. 최대 양의 전압이 페어 1 및 페어 2에 인가되고, 페어 3 및 페어 4가 저전압에 연결되므로, PD(단일 채널이거나 이중 채널이거나 상관없이)는 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신한다.
그러므로, PD가 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신해야 하는지에 대한 검출은 IEEE 표준들에 의해 명시된 종래의 검출 단계 동안에 단일 PSE에 의해 수행된다.
양의 페어들 페어 1 및 페어 2, 그리고 저전압 페어들 페어 3 및 페어 4 사이에 최대 양의 전압이 인가되기 전에 임의의 분류 루틴이 수행될 수도 있다.
동작 중에, 저항기들 R1 및 R2를 통한 전류들의 합을 검출하여 동작 전류가 허용 가능 범위 내에 있는지를 알아낼 수 있다. 허용 가능 범위 내에 있지 않다면, MOSFET는 오프로 된다.
다양한 다른 실시예들이 기술된다.
본 발명의 일 태양에 따르면 이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원 시스템은 이더넷 와이어들을 통해 데이터와 전압을 제공하는 단일 전원 공급 장비(Power Sourcing Equipment, PSE)를 포함하고, 상기 단일 PSE는 상기 이더넷 와이어들을 통해 전송되는 PoE 전압을 발생시키기 위한 전압 컨버터를 가지고 있고, 상기 이더넷 와이어들은 4개의 와이어 페어들을 포함한다. 상기 시스템은 상기 데이터와 전압을 수신하기 위해 적어도 상기 이더넷 와이어들에 의해 상기 단일 PSE에 연결된 파워 장치(Powered Device, PD)를 더 포함하고, 상기 PD는 상기 PD에 최대(full) 전압 레벨이 인가되기 전에 핸드셰이킹 단계(handshaking phase) 동안 제1 신호를 수신하면 PoE 특성을 상기 단일 PSE에 제시한다. 상기 단일 PSE는 추가로, 제1 와이어 페어와 제2 와이어 페어를 포함하는 제1 세트의 이더넷 와이어들에 상기 제1 신호가 인가되도록 제어하는 제어기, 상기 이더넷 와이어들 중의 제3 와이어 페어와 스위치 사이에 연결된 제1 전류 검출 컴포넌트, 상기 이더넷 와이어들 중의 제4 와이어 페어와 상기 스위치 사이에 연결된 제2 전류 검출 컴포넌트를 포함한다. 상기 제어기는 상기 단일 PSE가 상기 제1 신호를 상기 PD에 공급하는 동안 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 미리 결정된 전류 범위 내인 것을 검출하고, 이에 응답하여, 상기 스위치가 닫혀 있는 동안 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하여 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 스위치를 통해 저전압에 연결되게 한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템은 상기 제1 전류 검출 컴포넌트는 제1 저항기이고 상기 제2 전류 검출 컴포넌트는 상기 제1 저항기의 저항과 같은 저항을 가진 제2 저항기이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템은 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안에 온 상태에 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템은 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안 오프 상태에 있고, 상기 제어기가 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 상기 미리 결정된 전류 범위 내임을 검출할 때 상기 제어기에 의해 온으로 된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템은 상기 미리 결정된 전류 범위는 상기 PD가 PoE 호환됨을 나타내는 특성 임피던스를 상기 PD가 가지고 있음을 상기 단일 PSE에 전달하는 전류 범위이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템은 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전류 제한 전압이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템은 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전압 제한 전류이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템에서 상기 핸드셰이킹 단계는 상기 PD가 PoE 호환되는지를 상기 단일 PSE가 알아내는 검출 단계를 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템에서 상기 PD에 대한 전력이 상기 4개의 와이어 페어들에 의해 전달되도록 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결되고 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 이더넷 전원 시스템에서 상기 제어기가 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하는 것은 상기 제어기가 상기 단일 PSE 내의 상기 전압 컨버터의 최대 전압 출력을 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 연결하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면 이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원 시스템에 의해 수행되는 방법은 단일 전원 공급 장비에 의해 이더넷 와이어들을 통해 파워 장치에 데이터와 전압을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 단일 PSE는 상기 이더넷 와이어들을 통해 전송되는 PoE 전압을 발생시키기 위한 전압 컨버터를 가지고 있고, 상기 이더넷 와이어들은 4개의 와이어 페어들을 포함한다. 더 나아가, 상기 전압 컨버터에 의해 상기 PD에 최대 전압 레벨이 인가되기 전에 핸드셰이킹 단계 동안 상기 단일 PSE에 의해 제1 신호를 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 PD가 상기 제1 신호를 수신하면 상기 PD에 의해 PoE 특성을 상기 단일 PSE에 제시하는 단계를 포함한다. 상기 단일 PSE는 추가로, 제1 와이어 페어와 제2 와이어 페어를 포함하는 제1 세트의 이더넷 와이어들에 상기 제1 신호가 인가되도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 이더넷 와이어들 중의 제3 와이어 페어와 스위치 사이에 연결된 제1 전류 검출 컴포넌트를 통하여 제1 전류를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 이더넷 와이어들 중의 제4 와이어 페어와 상기 스위치 사이에 연결된 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하여 제2 전류를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 단일 PSE가 상기 제1 신호를 상기 PD에 공급하는 동안 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 미리 결정된 전류 범위 내인 것을 검출하는 단계를 포함하고, 이에 응답하여, 상기 스위치가 닫혀 있는 동안 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하여 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 저전압에 연결되게 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 제1 전류 검출 컴포넌트는 제1 저항기이고 상기 제2 전류 검출 컴포넌트는 상기 제1 저항기의 저항과 같은 저항을 가진 제2 저항기이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안에 온 상태에 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안 오프 상태에 있고 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 상기 미리 결정된 전류 범위 내임이 검출될 때 온으로 된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 미리 결정된 전류 범위는 상기 PD가 PoE 호환됨을 나타내는 특성 임피던스를 상기 PD가 가지고 있음을 상기 단일 PSE에 전달하는 전류 범위이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전류 제한 전압이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전압 제한 전류이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 핸드셰이킹 단계는 상기 PD가 PoE 호환되는지를 상기 단일 PSE가 알아내는 검출 단계를 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 PD에 대한 전력이 상기 4개의 와이어 페어들에 의해 전달되도록 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결되고 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하는 단계는 상기 단일 PSE 내의 상기 전압 컨버터의 최대 전압 출력을 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 연결하는 단계를 포함한다.
용어들 PSE 및 PD는 이 명세서의 전반에 걸쳐 전력을 공급하는 장비와 전력을 수신하는 장비를 식별하기 위해 사용되며, 이러한 장비/장치들은 명시되지 않는 한 이더넷 장비/장치들로 한정되지 않는다.
도 1은 PD에 전력을 공급하기 위해 2개의 와이어 페어들을 이용하는 종래의 PoE 가능한 이더넷 시스템을 도시한다.
도 2는 2개의 와이어 페어들을 통하여 흐르는 전류들을 검출하여 PD가 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신해야 하는지를 알아내는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 단일 채널 PoE 시스템을 도시한다.
도 3은 도 2의 회로를 더 상세히 도시한다.
도 4는 도 3의 시스템에 의해 수행되는 특정 단계들을 식별하는 플로차트이다.
도 5는 2개의 세트의 와이어 페어들을 가로질러 별개의 특정 임피던스들이 연결되어 있는, 이중 채널 PD의 전단부(front end)를 도시한다. PSE는 네 개의 와이어 페어들을 통해 PD에 전력을 공급한다.
동일한 또는 동등한 요소들에는 동일한 번호가 붙여진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, PoE 시스템(32)의 상위 레벨 도면을 도시하며, 여기서 PSE(34)는 최대(full) PoE 양의 전압(VCC)을 와이어 페어들 페어 1 및 페어 2에 인가하고 있다. 페어 3 및 페어 4는 낮은 값 저항기들 R1 및 R2를 통해 MOSFET M1의 드레인에 연결된다. PD(36)가 4개의 와이어 페어들을 통한 전력 공급과 호환된다고 가정하면, MOSFET M1은 온으로 되어 페어 3 및 페어 4를 VEE, 전형적으로 0 볼트에 연결한다. 시스템이 접지로 기준이 잡혀져 있지 않기 때문에, VCC와 VEE 간의 차이만이 중요하다. 저항기들 R1 및 R2와 MOSFET M1은 PSE의 일부로 간주되고 PSE 제어기 및 다른 회로와 동일한 패키지 내에 있을 수 있다.
도 3은 PSE(34) 및 PD(36)를 더 상세히 도시한다. 차동 데이터 송신 회로, UVLO(under-voltage lockout) 회로, 및 다른 보호 회로 등과 같은 도시되지 않은 회로는 통상의 것일 수 있다. 도 1과 동일한 번호들이 붙은 임의의 회로들은 동일한 기능을 수행하고 관례적일 수 있다.
PSE 제어기(38)는 PoE에 대한 IEEE 표준들에 따를 수 있는 검출 및 분류 루틴을 수행한다. PSE 제어기(38)는 또한 검출/분류 단계 동안 그리고 최대 전압이 페어 1 및 페어 2에 인가될 때의 동작 동안 와이어 페어들 페어 3 및 페어 4를 저전압에 연결하도록 MOSFET M1을 제어한다. 제어기(38)는 프로그래밍된 프로세서, 상태 기계, 로직 회로들, 또는 임의의 다른 회로를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, MOSFET M1은 검출 단계 동안 오프일 수 있고 저항 R1 및 R2는 검출 단계 동안 PSE(34) 내의 다른 스위치 또는 임의의 다른 유형의 회로에 의해 저전압에 연결된다(도 2의 포트 OUTC를 통해). 일 실시예에서, MOSFET M1은 사용자에 의해 공급되고 PSE 제어기 및 검출 회로를 하우징하는 IC 패키지의 외부에 있다. 이것은, PD 부하 전류가 높을 수 있고 강건한 MOSFET M1을 필요로 하기 때문이다. 그러나, 검출/분류 단계 동안의 전류는 낮고 IC 패키지 내부의 상이한 스위치(또는 다른 회로)에 의해 전도될 수 있다.
도 3의 회로의 동작을 도 4의 흐름도를 참고하여 설명한다.
도 4의 단계 40에서, PSE(34)는 4개의 트위스티드 와이어 페어들을 갖는 표준 CAT-5 이더넷 케이블을 통해 PD(36)에 연결된다. PD(36)는 PoE 호환되고 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신할 수 있다고 가정한다.
단계 42에서, 예를 들어, PSE(34)를 120VAC에 연결하고 전원 스위치를 켜는 것으로, PSE(34)에 전원을 넣는다. 대안적으로, (PSE를 포함하는) 보드를 버스 내로 삽입함으로써 PSE(34)에 전원을 넣는다.
단계 44에서, 저전압/전류 검출 단계가 PSE 제어기(38)에 의해 자동으로 수행된다.
발생된 검출 신호들은 도 1과 관련하여 설명된 것과 동일할 수 있다. PSE 제어기(38)는 (IEEE 표준들에 의해 명시된) 전류 제한 전압들을 페어 1 및 페어 2에 공급하여 25k 옴 저항기(46)에 의해 제공되는 특성 임피던스를 검출한다. 일 실시예에서, MOSFET M1은 이 시간에 온이고, 다른 실시예에서, MOSFET M1은 오프일 수 있고 저항기들 R1 및 R2는 PSE(34) 내의 스위치를 통해 저전압에 연결된다. 최대 전압이 페어 1 및 페어 2에 연결되지 않도록 전압 컨버터(16)는 오프이거나 분리되어 있다. 검출 신호들은 페어들 1/2 및 페어들 3/4 내에 저전류들을 생성한다(단계 48). 25k 옴 저항을 검출하는 것 외에 다른 검출 메커니즘들이 이용될 수 있다.
제1의 낮은 값 저항기 R1의 제1 단부가 페어 3에 연결되고 제2 단부가 전류 검출기(50)에 그리고 MOSFET M1의 드레인에 연결된다. R1의 값과 같은 제2의 낮은 값 저항 R2의 제1 단부가 페어 4에 연결되고 제2 단부가 전류 검출기(50)에 그리고 MOSFET M1의 드레인에 연결된다. 전류 검출기(50)는 차동 증폭기를 이용하여 저항기들에 걸친 전압 강하들을 검출하고 그 후 옴의 법칙을 적용함으로써 저항 R1 및 R2를 통한 상대 전류들을 결정할 수 있다.
2개의 전류들이 실질적으로 동일한지 또는 상이한지를 검출하고 전류들이 PoE 가능한 PD(36)의 특성이 아님을 검출하기 위해 통상의 로직 및 증폭기 회로가 전류 검출기(50) 또는 PSE 제어기(38) 내에서 이용된다.
단계 52에서, 전류 검출기(50)는 저항기들 R1 및 R2를 통한 상대 전류들을 검출한다. 전류들이 동일하고 PoE 가능한 PD(36)의 특성이라면, 이는 페어 3과 페어 4 모두가 적어도 25k 옴 저항기(46)를 통해 PD(36) 내에서 연결되어 있음을 의미한다.
검출된 전류가 매우 상이하다면, 와이어 페어 3 또는 와이어 페어 4는 4개의 와이어들을 이용하여 전력을 PD(36)에 제공하도록 연결되어 있지 않다. 이는 PSE(34) 및 PD(36)가 PoE에 호환되지 않음을 의미한다.
단계 54에서, 저항기들 R1 및 R2를 통한 전류들이 거의 동일하고 적당한 전류 범위 내에 있다면, PSE(34)는 동작 전류가 저항기들 R1 및 R2를 통해 흐르도록 최대 전압을 페어 1 및 페어 2에 인가하고 MOSFET M1을 온으로 유지한다. 최대 전압을 페어 1 및 페어 2에 제공하기 위하여, PSE 제어기(38)는 전압 컨버터(16)가 가능하게 되도록 제어하거나 또는 컨버터(16) 출력을 페어 1 및 페어 2에 연결하는 스위치를 닫을 수 있다.
검출 단계 동안 MOSFET M1이 오프되고 저항기들 R1 및 R2가 PSE(34) 내의 스위치에 의해 저전압에 연결되는 대안적인 실시예에서, MOSFET M1은 검출 단계의 끝에서 온으로 되고 저항기들 R1 및 R2을 저전압에 연결하는 유일한 연결이 된다.
단계 58에서, 전류들이 상이하거나 또는 적당한 범위 내에 있지 않다면, PSE 제어기(38)는 MOSFET M1을 오프시키고 PD(36)에 최대 전압을 공급하지 않는다.
단계 60에서, PSE(34)가 PD(36)에 최대 전압을 공급하고 있고 동작 전류가 저항기들 R1 및 R2를 통해 흐르는 때인 시스템의 정상 동작 동안, 저항기들 R1 및 R2를 통한 전류들의 합은 전류 센서(50)에 의해 검출된다. 전류가 최대 임계치를 초과하여, 고장 또는 MOSFET M1에 대해 너무 큰 전류 중 어느 하나를 나타낸다면, PSE 제어기(38)는 MOSFET M1을 오프시킨다. 검출된 전류가 너무 낮다면, 그것은 PD(36)가 단절되었다는 표시이므로 PSE(34)는 PD(36)로의 전력을 중단할 필요가 있다. 오퍼레이터에게 시스템에 고장이 있음을 알려주기 위해 고장 신호가 발생될 수 있다.
최대 전압이 PD(36)에 인가되기 전 언제든 분류 단계가 일어날 수 있다.
따라서, 도 3의 시스템은 종래의 검출 단계를 수행하면서 PD(36)가 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신하는 데 호환되는지를 검출한다. 전력 전달은 단일 MOSFET M1에 의해 제어된다. 동일 회로는 정상 동작 동안 과전류 상황을 검출하기 위하여 사용된다.
도 4는 하나의 채널은 페어 1 및 페어 3를 통해 전력을 수신하고, 제2 채널은 페어 2 및 페어 4를 통해 전력을 수신하는 이중 채널 PD(64)의 전단부를 도시한다. 다양한 전력 선(lead)들이 전력들이 2개의 채널들에 의해 공유되도록 PD(64) 내의 동일 부하에 연결될 수 있다. 각각의 채널은 PD(64)가 PoE 가능한 것임을 나타내는 특성 임피던스를 PSE에 제공하기 위한 25k 옴 저항기를 포함한다. 검출 단계 동안, 전류 센서(50)(도 3)는 저항기들 R1 및 R2(페어 3 및 페어 4에 연결됨)를 통한 전류가 적당하고 동일하다는 것을 검출하여, PSE가 최대 전압을 PD(64)에 제공하고 MOSFET M1을 온으로 유지하게 할 것이다.
PD가 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 수신하도록 구성되어 있는지를 결정하기 위하여 저전압/전류 핸드셰이킹 단계 동안 페어 3 및 페어 4의 전기적 특성들이 검출되는 전술한 회로의 변형들이 예상된다. MOSFET M1은 대신에 바이폴라 트랜지스터 또는 임의의 다른 스위치일 수 있으며 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 스위치라는 용어는 저항기들 R1 및 R2를 저전압에 연결하는 임의의 회로를 포함한다. 저항기들 R1 및 R2는 공지된 저항값 또는 측정 전류를 제공할 수 있는 임의의 디바이스로 대체될 수 있다. 따라서, 저항기들 R1 및 R2는 전류를 검출하는 데 사용될 수 있는 임의의 컴포넌트일 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었다 할지라도, 통상의 기술자에게는 이 발명의 보다 넓은 측면에서 이 발명을 벗어남이 없이 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 따라서 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 이런 모든 변경들 및 수정들을 포함함이 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원(Power Over Ethernet, PoE) 시스템으로서,
    이더넷 와이어들을 통해 데이터와 전압을 제공하는 단일 전원 공급 장비(Power Sourcing Equipment, PSE) - 상기 단일 PSE는 상기 이더넷 와이어들을 통해 전송되는 PoE 전압을 발생시키기 위한 전압 컨버터를 가지고 있고, 상기 이더넷 와이어들은 4개의 와이어 페어들을 포함함 -;
    상기 데이터와 전압을 수신하기 위해 적어도 상기 이더넷 와이어들에 의해 상기 단일 PSE에 연결된 파워 장치(Powered Device, PD) - 상기 PD는 상기 PD에 최대(full) 전압 레벨이 인가되기 전에 핸드셰이킹 단계(handshaking phase) 동안 제1 신호를 수신하면 PoE 특성을 상기 단일 PSE에 제시함 -
    를 포함하고;
    상기 단일 PSE는 추가로,
    제1 와이어 페어와 제2 와이어 페어를 포함하는 제1 세트의 이더넷 와이어들에 상기 제1 신호가 인가되도록 제어하는 제어기;
    상기 이더넷 와이어들 중의 제3 와이어 페어와 스위치 사이에 연결된 제1 전류 검출 컴포넌트;
    상기 이더넷 와이어들 중의 제4 와이어 페어와 상기 스위치 사이에 연결된 제2 전류 검출 컴포넌트를 포함하고;
    상기 제어기는 상기 단일 PSE가 상기 제1 신호를 상기 PD에 공급하는 동안 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 미리 결정된 전류 범위 내인 것을 검출하고, 이에 응답하여, 상기 스위치가 닫혀 있는 동안 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하여 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 스위치를 통해 상기 최대 PoE 전압보다 낮은 제1 전압에 연결되어 상기 제1 및 제2 와이어 페어의 상기 최대 PoE 전압과 상기 제3 및 제4 와이어 페어의 상기 제1 전압 사이의 전압 차이만큼 상기 PD에 전력을 공급하기 위한 것인, 이더넷 전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 검출 컴포넌트는 제1 저항기이고 상기 제2 전류 검출 컴포넌트는 상기 제1 저항기의 저항과 같은 저항을 가진 제2 저항기인, 이더넷 전원 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안에 온 상태에 있는, 이더넷 전원 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안 오프 상태에 있고, 상기 제어기가 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 상기 미리 결정된 전류 범위 내임을 검출할 때 상기 제어기에 의해 온으로 되는, 이더넷 전원 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 미리 결정된 전류 범위는 상기 PD가 PoE 호환됨을 나타내는 특성 임피던스를 상기 PD가 가지고 있음을 상기 단일 PSE에 전달하는 전류 범위인, 이더넷 전원 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전류 제한 전압인, 이더넷 전원 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전압 제한 전류인, 이더넷 전원 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 핸드셰이킹 단계는 상기 PD가 PoE 호환되는지를 상기 단일 PSE가 알아내는 검출 단계(detection phase)를 포함하는, 이더넷 전원 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 PD에 대한 전력이 상기 4개의 와이어 페어들에 의해 전달되도록 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결되고 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결되는, 이더넷 전원 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어기가 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하는 것은 상기 제어기가 상기 단일 PSE 내의 상기 전압 컨버터의 최대 전압 출력을 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 연결하는 것을 포함하는, 이더넷 전원 시스템.
  11. 이더넷 케이블에서 4개의 와이어 페어들을 통해 전력을 공급하기 위한 이더넷 전원(Power Over Ethernet, PoE) 시스템에 의해 수행되는 방법으로서,
    단일 전원 공급 장비(Power Sourcing Equipment, PSE)에 의해 이더넷 와이어들을 통해 파워 장치(Powered Device, PD)에 데이터와 전압을 제공하는 단계 - 상기 단일 PSE는 상기 이더넷 와이어들을 통해 전송되는 PoE 전압을 발생시키기 위한 전압 컨버터를 가지고 있고, 상기 이더넷 와이어들은 4개의 와이어 페어들을 포함함 -;
    상기 전압 컨버터에 의해 상기 PD에 최대(full) 전압 레벨이 인가되기 전에 핸드셰이킹 단계 동안 상기 단일 PSE에 의해 제1 신호를 발생시키는 단계;
    상기 PD가 상기 제1 신호를 수신하면 상기 PD에 의해 PoE 특성을 상기 단일 PSE에 제시하는 단계
    를 포함하고;
    상기 단일 PSE는 추가로,
    제1 와이어 페어와 제2 와이어 페어를 포함하는 제1 세트의 이더넷 와이어들에 상기 제1 신호가 인가되도록 제어하는 단계;
    상기 이더넷 와이어들 중의 제3 와이어 페어와 스위치 사이에 연결된 제1 전류 검출 컴포넌트를 통하여 제1 전류를 검출하는 단계;
    상기 이더넷 와이어들 중의 제4 와이어 페어와 상기 스위치 사이에 연결된 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하여 제2 전류를 검출하는 단계;
    상기 단일 PSE가 상기 제1 신호를 상기 PD에 공급하는 동안 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 미리 결정된 전류 범위 내인 것을 검출하는 단계; 및
    이에 응답하여, 상기 스위치가 닫혀 있는 동안 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하여 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 스위치를 통해 상기 최대 PoE 전압보다 낮은 제1 전압에 연결되어 상기 제1 및 제2 와이어 페어의 상기 최대 PoE 전압과 상기 제3 및 제4 와이어 페어의 상기 제1 전압 사이의 전압 차이만큼 상기 PD에 전력을 공급하기 위한 단계
    를 수행하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 전류 검출 컴포넌트는 제1 저항기이고 상기 제2 전류 검출 컴포넌트는 상기 제1 저항기의 저항과 같은 저항을 가진 제2 저항기인, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안에 온 상태에 있는, 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 스위치는 상기 핸드셰이킹 단계 동안 오프 상태에 있고 상기 제1 전류 검출 컴포넌트와 상기 제2 전류 검출 컴포넌트를 통하는 전류들이 동일하고 상기 미리 결정된 전류 범위 내임이 검출될 때 온으로 되는, 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 미리 결정된 전류 범위는 상기 PD가 PoE 호환됨을 나타내는 특성 임피던스를 상기 PD가 가지고 있음을 상기 단일 PSE에 전달하는 전류 범위인, 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전류 제한 전압인, 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 제1 신호는 적어도 하나의 전압 제한 전류인, 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 핸드셰이킹 단계는 상기 PD가 PoE 호환되는지를 상기 단일 PSE가 알아내는 검출 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 PD에 대한 전력이 상기 4개의 와이어 페어들에 의해 전달되도록 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결되고 상기 제3 와이어 페어와 상기 제4 와이어 페어가 상기 PD에서 함께 연결되는, 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 최대 PoE 전압을 인가하도록 상기 단일 PSE를 제어하는 단계는 상기 단일 PSE 내의 상기 전압 컨버터의 최대 전압 출력을 상기 제1 와이어 페어와 상기 제2 와이어 페어에 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
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