KR20070098876A - 통신 케이블에서 복수 개의 와이어들간의 전력 분배 제어 - Google Patents

통신 케이블에서 복수 개의 와이어들간의 전력 분배 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 적어도 한 쌍의 와이어들을 구비한 통신 케이블을 통해서 전력을 제공하는 시스템은 상기 통신 케이블을 통해서 전력 기기로 전력을 공급하는 전력 공급 장치; 및 상기 통신 케이블의 상기 와이어들간의 전력 분배를 제어하는 전력 분배 회로 소자를 포함한다
PoE(Power over Ethernet), 전력 분배 회로 소자(power distribution circuitry)

Description

통신 케이블에서 복수 개의 와이어들간의 전력 분배 제어{controlling power distribution among multiple wires in communication cable}
본 발명은 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 통신 케이블을 통하여 전력을 공급하는 시스템에서 상기 통신 케이블의 복수 개의 와이어들간의 전력 분배를 제어하는 회로 소자(circuitry) 및 방법에 관한 것이다.
지난 몇 년간, 이더넷(Ethernet)은 근거리 통신망(이하, LAN: local area network)에서 가장 보편적으로 사용되는 방법이 되었다. 이더넷 표준의 시조인 IEEE 802.3 그룹은 이더넷 케이블링(Ethernet cabling)을 통해서 전력을 공급하는 것으로 정의되는, IEEE 802.3af로 알려진, 표준으로까지 확대 발전하였다. 상기 IEEE 802.3af 표준에서는 PoE(Power over Ethernet) 시스템을 정의하는데, 상기 PoE 시스템은 서로 링크의 반대쪽에 위치한 전력 소스 장치(이하, PSE: Power Sourcing Equipment)로부터 전력 기기(이하, PD: Powered Device)까지 비차폐 꼬임 쌍(unshielded twisted-pair: UTP) 와이어링(wiring)을 통해서 전력을 전달하는 것과 관련이 있다. 전통적으로, IP 폰들, 무선 LAN AP(access point)들, 개인 컴퓨터(PC), 및 웹 카메라들과 같은 네트워크 장치들은 두 개의 접속, 즉, LAN으로의 접속 및 전력 공급 장치로의 접속을 필요로 했다. 상기 PoE 시스템은 전력을 네트 워크 장치들에 공급하는데 있어서 추가적인 출구(outlet)들 및 와이어를 필요로 하지 않는다. 대신에, 데이터 전송에 사용되는 이더넷 케이블을 통해서 전력이 공급된다.
상기 IEEE 802.3af 표준에서 정의된 바와 같이, PSE 및 PD는 네트워크 장치들이 데이터 전송에 사용되는 같은 일반 케이블링(same generic cabling)을 이용하여 전력을 공급하고 끌어오게 하는 비데이타 주체들(non-data entities)이다. 이때, PSE는 전력을 링크로 제공하는, 상기 케이블링과의 물리적 연결 지점에서 전기적으로 규정되는 장치이다. 또한, PSE는 전형적으로 이더넷 스위치, 라우터(router), 허브, 또는 다른 네트워크 스위치 장치, 또는 미드스팬 기기(midspan device)와 관련이 있다. PD는 전력을 끌어오거나 전력을 요청하는 기기이다. PD들은 디지털 IP 전화들, 무선 네트워크 AP들, PDA 또는 노트북 컴퓨터 도킹 스테이션들, 셀 폰 충전기들 및 HVAC(heating, ventilating, and air conditioning) 자동온도 조절장치(thermostat)들과 같은 장치들과 연관이 있을 수 있다.
상기 PSE의 주요한 기능들은 링크를 검색하여 PD 요청 전력을 찾는 기능, 마음대로(optionally) PD를 분류하는 기능, PD가 검출되는 경우 링크에 전력을 공급하는 기능, 링크 상에서 전력을 모니터 하는 기능, 및 더 이상 전력이 요청되거나 필요로 하지 않는 경우 전력을 끊는 기능을 포함한다. PD는 IEEE 802.3af 표준에 의해서 정의된 PoE 검출 서명(signature)을 제시함으로써 상기 PD 검출 과정(PD detection procedure)에 참여한다.
상기 검출 서명이 유효한 경우, 상기 PD는 전원이 켜졌을 때 얼마나 많은 전 력이 필요한지를 나타내기 위해 상기 PSE에게 분류 서명을 제시하는 옵션을 구비한다. 상기 PD의 결정된 등급(class)에 기초해서, 상기 PSE는 필요한 전력을 상기 PD에 적용한다.
상기 IEEE 802.3af 표준은 CAT-5 케이블 내에서 4개의 꼬임 쌍(twisted pair)들 가운데 2개의 꼬임 쌍들간의 공통 모드 전압을 이용함으로써 이더넷을 통한 전력 공급을 기술하고 있다. 현재, 상기 표준 스펙(specification)에서는 UTP CAT-5 케이블에 전형적으로 포함된 8개의 와이어들 가운데 4개의 와이어들을 통해서 전력을 제공할 것을 요구한다. 더 많은 전력을 공급하기 위한 미래의 노력들은 상기 케이블 내에서 모두 4개의 꼬임 쌍들을 이용할 수 있다. 이때, 제2 세트의 쌍들을 이용하는 경우 상기 케이블을 통해서 보내지고 반송되는 전류용 제2 경로를 생성하게 된다.
상기 케이블 내의 와이어들이 원래 데이터 전송 만을 위한 것이었기 때문에, 상기 와이어들의 전류 운송 능력은 제한되었다. 복수 개의 와이어들 또는 와이어 군들이 전력을 전송하는데 이용될 수 있기 때문에, 가장 효율적인 전력 전송 방법을 제공하기 위해서는 와이어들 간에 전력의 밸런스를 맞추는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 이더넷 케이블과 같은 통신 케이블에서 와이어들 또는 와이어 쌍들간의 전력 분배를 제어하는 전력 분배 제어 회로를 이용하여, 상기 통신 케이블을 통해서 전력을 공급하는 새로운 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 전력 분배 제어 회로는 상기 통신 케이블에서 와이어들 또는 와이어 쌍들간에 전류의 분배를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 와이어들 또는 상기 와이어 쌍들간에 전류의 밸런스가 제공될 수 있다.
상기 케이블에서 한 쌍의 와이어들을 구성하는 제1 및 제2 와이어들간에 전류 분배를 제어하기 위해서, 전력 공급 장치를 상기 통신 케이블로 연결하는 변압기(transformer)의 와인딩들은 상기 제1 와이어에 대응하는 제1 와인딩과 상기 제2 와이어에 대응하는 제2 와인딩으로 분리될 수 있다. 상기 제1 및 상기 제2 와이어들 사이의 DC 연결을 방지하기 위해서 용량 소자(capacitive element)가 상기 제1 와인딩 및 상기 제2 와인딩 사이로 삽입될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전력 분배 회로 소자는 기준 전압(reference voltage)을 제공하는 기준 회로(reference circuit), 제1 및 제2 와이어들, 또는 와이어 쌍들에 대응하는 제1 및 제2 감지 저항(sense resistor)들, 및 상기 기준 전압을 상기 제1 및 상기 제2 감지 저항들에 대한 제1 및 제2 감지 전압(sense voltage)들과 각각 비교하는 제1 및 제2 연산 증폭기(operational amplifier)들을 포함할 수 있다.
이때, 상기 전력 분배 회로 소자는 상기 제1 및 상기 제2 와이어들, 또는 상기 와이어 쌍들에서 전류값들을 제어하는 상기 제1 및 상기 제2 연산 증폭기들의 출력들과 각각 커플링되는 제1 및 제2 구동 소자(driving element)들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전력 분배 회로 소자는 기준 전압을 제공하는 기준 회로, 제1 와이어 또는 와이어 쌍에 대응하는 제1 감지 저항, 및 상기 기준 전압에 따라서 상기 제1 와이어 또는 상기 와이어 쌍에서의 전류값을 제한하기 위해 상기 기준 전압을 상기 제1 감지 저항에 대한 제1 감지 전압과 비교하는 전류 제한 증폭기(current limit amplifier)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류 분배 회로 소자는 제2 와이어 또는 와이어 쌍에 대응하는 제2 감지 저항, 및 상기 제1 및 상기 제2 와이어들, 또는 상기 와이어 쌍들에서 전류값들간에 밸런스를 제공하기 위해 상기 제2 감지 저항에 대한 제2 감지 전압을 상기 제1 감지 전압과 비교하는 밸런스 증폭기(balance amplifier)를 더 포함할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 구동 소자들은 상기 제1 및 상기 제2 와이어들 또는 상기 와이어 쌍들에서 상기 전류값들을 제어하기 위해 상기 전류 제한 증폭기 및 상기 밸런스 증폭기에 각각 커플링될 수 있다. 상기 제1 및 상기 제2 구동 소자 각각은 하나 이상의 MOSFET 트랜지스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전력 분배 회로 소자는 한 쌍의 전류 감지 소자(current sense element)들, 및 상기 전류 감지 소자들에 의해 생성된 신호들간의 차이를 나타내는 신호를 생성하는 제1 차동 증폭기(difference amplifier)를 포함할 수 있다. 또한, 한 쌍의 제2 및 제3 차동 증폭기는 상기 제1 차동 증폭기의 출력을 수신하기 위한 제1 입력들 및 각각의 기준값들을 수신하기 위한 제2 입력들을 구비할 수 있다. 이때, 상기 제2 차동 증폭기로 공급되는 기준값은 상기 제3 증폭기로 공급되는 기준값과 상이할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 구동 소자들은 각각의 와이어들에서 상기 전류값들을 제어하기 위해 상기 제2 및 상기 제3 차동 증폭기의 출력들과 각각 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측에 따르면, 근거리 통신망(LAN)은 적어도 한 쌍의 네트워크 노드, 네트워크 허브, 및 데이터 통신을 제공하기 위해서 상기 네트워크 노드를 상기 네트워크 허브에 접속시키는 적어도 한 쌍의 와이어들을 구비한 통신 케이블링을 포함할 수 있다. 이때, 상기 네트워크 허브는 상기 통신 케이블링을 통해서 부하로 전력을 공급하는 전력 공급 장치를 구비할 수 있으며, 상기 네트워크는 상기 와이어들간에 전력의 분배를 제어하는 전력 분배 회로 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점들 및 측면들은 아래의 상세한 기재를 통해서 당업자라면 분명히 알 수 있을 것이다. 상기 상세한 기재에는 본 발명의 실시예들이 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예를 통해서 보여지고 설명되어 있다. 후술되겠지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다른 실시예들을 실시할 수 있으며, 이에 대한 몇 가지 상세한 사항들이 다양한 분명한 측면들에서 변형이 가능하다. 따라서 도면 및 기재는 한정적인 것이 아닌(not as limitative) 사실상 설명적인(illustrative in nature) 것으로 간주되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 아래의 상세한 설명은 첨부된 도면들과 연관하여 독해되었을 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 상기 첨부된 도면들에서 특징들은 관련된 특징들을 비교하기 위해서라기 보다는 가장 잘 설명하기 위해서 도시되었다.
도 1은 본 발명의 PoE 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 와이어들의 꼬임 쌍들간에 전력이 분포되어 있는 본 발명의 전력 분배 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 꼬임 쌍 내의 와이어들간에 전력이 분포되어 있는 본 발명의 전력 분배 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 전류 밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 바람직한 실시예에 따른 전류 밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 바람직한 실시예에 따른 전류 밸런싱 회로를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명이 PoE(Power over Ethernet) 시스템에서의 전력 분배 회로 소자의 예를 이용하여 설명될 것이다. 그러나, 본 명세서에서 설명되는 개념들은 케이블을 통해서 전력을 제공하는 시스템이라면 어떠한 시스템에라도 적용 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 시스템은 복수 개의 노드들, 네트워크 허브, 및 데이터 통신을 제공하기 위해 상기 노드들을 상기 네트워크 허브에 접속시키는 통신 케이블링을 구비하는 근거리 통신망(LAN)에 제공될 수 있다. 이때, 상기 네트워크 허브는 상기 통신 케이블링 통해서 부하로 전력을 공급하는 전력 공급 장치를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 전력 분배 시스템은 상기 통신 케이블링에서 와이어들 또는 와이어 쌍들간의 전력 분배를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 1은 전력 소스 장치(이하, PSE: Power Sourcing Equipment)(12)를 포함하는 PoE시스템을 도시한 단순화된 블록도이다. 이때, PSE(12)는 복수 개의 전력 기기(이하, PD: Powered Devices)(14)(PD 1~PD4)에 각각의 링크를 통해서 접속 가능한 복수 개의 포트들(PORT1~PORT4)을 구비하고 있으며, 각각의 링크는 이더넷 케이블(16) 내의 2 또는 4 세트의 꼬임 쌍들을 이용하여 제공될 수 있다. 비록 도 1에서는 PSE(12)가 네 개의 포트들을 구비하고 있지만, 당업자라면 몇 개의 포트들인지 제공될 수 있다는 알 수 있을 것이다.
PSE(12)는 IEEE 802.3af 표준에 따라서 각각의 PD와 상호작용할 수 있다. 특히, PSE(12)가 상기 PD를 검출하기 위하여 링크를 탐침하는 PD 탐침 과정에 PSE(12) 및 상기 PD는 참여할 수 있다. 이때, 상기 PD가 검출되는 경우, PSE(12)는 이것이 유효인 무효인지를 결정하기 위하여 PD 검출 서명을 체크한다. 상기 유효 및 무효 검출 서명들은 상기 IEEE 802.3af 표준에 정의되어 있다. 상기 유효 PD 검출 서명이 상기 PD가 전력을 받아들이는 상태에 있다는 것을 나타내는 반면, 상기 무효 PD 검출 사인은 상기 PD가 전력을 받아들이지 못하는 상태에 있다는 것을 나타낸다.
상기 검출 서명이 유효한 경우, 상기 PD는 전원이 켜졌을 때 얼마나 많은 전력이 필요한지를 나타내기 위해 상기 PSE에게 분류 서명을 제시하는 옵션을 구비한다. 예를 들어, PD는 등급(class) 1 내지 4로 분류될 수 있다. 상기 PD의 상기 결정된 등급에 기초하여, 상기 PSE는 요구되는 전력을 적 PD에 용한다.
더 많은 전력을 PD에 공급하기 위해서, 이더넷 케이블(16)에서 더 많은 와이 어들을 사용할 필요가 있을 수 있다. 복수 개의 와이어들 또는 와이어 군(group)들이 사용되는 경우, 상기 와이어들 또는 상기 와이어 군들간에 전력을 배분하는 것은 매우 중요하다.
특히, 상기 전력 분배로 인해서 상기 이더넷 케이블을 좀 더 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 상기 케이블이 n개의 와이어들로 구성되며, 상기 와이어들 가운데 절반이 상기 PD에 전력을 공급하는데 사용되고, 나머지 절반이 상기 PSE로 전류를 반송하는데 사용될 때 상기 각각의 와이어가 최대 용량 ζ를 갖는 경우, 상기 케이블에 의해서 전달될 수 있는 최대 전력 Z는 Z = nζ/2이다. 따라서, 상기 케이블을 좀 더 효율적으로 사용하기 위해서는, 어떠한 단독 와이어도 ζ를 넘는 전력을 싣지(carry) 못하도록 상기 와이어들간에 전력이 분배되어야 한다.
비록 상기 케이블이 자신의 최대 용량 Z에서 전송을 하고 있지 않지만, 각각의 와이어를 통하여 전송되는 전력이 똑같을 때(상기 각각의 와이어가 똑같은 용량ζ를 갖는다고 가정) 상기 케이블을 통한 전력 손실은 감소된다. 따라서, 상기 케이블에서 상기 와이어들간의 전력에 밸런스를 제공한다는 장점이 있을 것이다. 또한, n개의 동일한 와이어들이 전력 P를 전달하는 경우, 상기 전력을 전송하는 가장 효율적인 방법은 각각의 와이어에 전력 P를 전송하기 위해서 상기 전력에 밸런스를 맞추는 것이다(p = P/n). 상기 와이어들의 절반이 전류를 보내는데 사용되고 나머지 절반이 상기 전류를 반송하는데 사용되는 경우, 상기 식은 p = P/2n으로 표현된다.
나아가, 전류가 와이어를 통해서 흐르는 경우, 상기 와이어의 저항 치(resistance, R)로 인하여 일부 전력이 손실된다. 만약 전압 Vi가 상기 와이어의 입력에 적용되고, 전류 I가 상기 와이어를 통해서 흐르는 경우, 상기 와이어의 출력에 따른 전압 Vo는 Vo = Vi - IR이다. 그러므로, 상기 와이어를 통한 전송으로 인한 손실 전력은 Plost = I(Vi - V0) = I2R 이다. 결과적으로, 전류가 같은 저항치(R)를 갖는 동일한 와이어들로 구성되는 케이블을 통해서 흐르고, 각각의 와이어에 적용되는 전압이 같은 경우, 각각의 와이어를 통해서 흐르는 전류가 최소가 되었을 때 전력 전송으로 인한 전력 손실이 최소가 된다. 모두 n개의 와이어들이 같은 전류 I/n을 실어 나를 때, 각각의 와이어에서의 전류는 최소가 된다.
상기 케이블을 구성하는 와이어들이 동일한 경우, 전류는 전력을 절약하기 위해서 각각의 와이어에 같은 전류를 제공하도록 밸런스가 맞춰져야 한다. 상기 케이블에서의 상기 와이어들이 상이한 경우, 최대의 효과를 달성하도록 각각의 와이어에 대한 전류 레벨을 제어하는 것이 유리할 수 있다.
비록 본 발명이 바람직한 전력 배분을 제공하기 위하여 와이어들간의 전류에 밸런스를 맞추는 전류 밸런싱 회로(current balancing circuit)의 예를 이용하여 설명되었지만, 상기 전력 공급 시스템의 다른 매개변수(parameter)들 역시 와이어들간에 전력을 배분하기 위하여 제어될 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 전력 배분은 각각의 와이어에 적용된 전압을 제어함으로써, 또는 전류가 각각의 와이어에 적용되는 저항치를 제어함으로써 제공될 수 있다.
나아가, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전력 분배 제어는 전 력이 적용되는 케이블의 끝단에서 발생한다. 그러나, 당업자라면 본 발명의 상기 전력 분배 제어가 전력이 소비되는 케이블의 끝단에서 구현될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, 각각의 와이어에서 전류를 제어하거나 균등(equalizing)하게 하는 대신에, 본 발명의 상기 전력 분배 제어가 각 와이어의 출력 전압, 각 와이어를 통한 전력 손실, 각 와이어의 저항치 및 전력원, 각 와이어의 온도 등을 제어하거나 균등하게 함으로써 달성될 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
더욱이, 본 발명의 전력 분배 제어 방법이 와이어 저항치 또는 출력 전압(output voltage)과 같은 매개변수들의 계속적인 측정을 요구하지 않는다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 전력을 적용하기 전에 결정된 와이어 저항치는 전력을 적용한 후의 전력 전송을 제어하는데 사용될 수 있다. 이때, 상기 와이어 저항치는 고주파수 펄스(high frequency pulse)를 상기 와이어에 적용하고 와이어 임피던스(wire impedance)에서의 변화를 나타내는 반송된 신호를 측정함으로써, 예를 들어, 시간영역 광전자파 분석기(TDR: time domain reflectometry)를 이용하여 측정될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 전력 분배 시스템은 이더넷 케이블(16)에서 4개의 와이어 꼬임 쌍(twisted pair of wire)들 가운데 PSE 전력 공급(106)에 의해서 공급된 전력에 밸런스를 맞추는 전류 밸런싱 회로들(102,104)을 포함한다. 특히, 이더넷 케이블(16)의 PSE 측에는 변압기(transformer)들(108, 110)이 전류 밸런싱 회로(102)를 도 2에 도시된 상위 2개의 와이어 꼬임 쌍들에 커 플링한다. 반면, 변압기들(112,114)은 전류 밸런싱 회로(104)를 도2에 도시된 하위 2개의 와이어 꼬임 쌍들에 커플링한다. 예를 들어, 상기 상위 2개의 와이어 꼬임 쌍들은 PSE(12)로부터 PD(14)로 전류를 보내는데 사용될 수 있으며, 상기 하위 2개의 와이어 꼬임 쌍들은 PD(14)로부터 PSE(12)로의 전류 반송 경로를 제공할 수 있다.
케이블(16)의 PD 측에는, 변압기들(116,118)이 각각 다이오드(diode)들(124,126)(128,130)로 구성된 다이오드 브리지들을 통해서 상기 상위 2개의 와이어 꼬임 쌍들을 상기 PD 회로 소자에 커플링한다. 또한, 변압기들(120,122)은 각각 다이오드들(132,134)(136,138)로 구성된 다이오드 브리지들을 통해서 상기 하위 2개의 와이어 꼬임 쌍들을 상기 PD 회로 소자에 커플링한다. 이 경우, 상기 다이오드 브리지들은 전류를 보내거나 반송하는데 어떠한 꼬임 쌍들이 사용되던지 간에 상기 PD 회로 소자가 전력을 수신하도록 정렬된다. 상기 변압기들(108~122)은 이더넷 데이터 전송 시스템의 데이터 변압기들일 수 있다. 도형의 명확함을 유지하기 위해서, 도 2에서는 각 변압기의 하나의 와인딩만을 도시하고 있다. IEEE 802.3af에 기술된 바와 같이, 상기 변압기들의 다른 와인딩들은 이더넷 물리적 계층(PHY: physical layer) 기기들을 상기 케이블(16)에 커플링하는데 사용된다.
전류 밸런싱 회로(102)는 PSE 전력 공급(106)에 의해서 공급되는 전력을 제어한다, 이것은 PSE(12)로부터 PD(14)로 전류를 전송하는데 사용되는 상기 상위 2개의 와이어 꼬임 쌍들 각각에 같은 전류를 제공하기 위해서이다. 또한, 전류 밸런싱 회로(104)는 PD(14)로부터 PSE(12)로 전류를 반송하는데 사용되는 상기 하위 2 개의 꼬임 쌍들 각각이 같은 전류를 싣도록 한다. 비록 도 2에는 PSE 측에서의 전류 밸런싱을 도시하고 있지만, 상기 전류 밸런싱이 PD 측에서도 실시될 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전류 밸런싱 회로는 와이어들의 꼬임 쌍 내에서 상기 와이어들 각각에 같은 전류를 제공하는데 사용될 수 있다. 케이블(16)에서 꼬임 쌍들과 커플링된 이더넷 데이터 변압기들의 각각의 와인딩은 두 개의 와인딩들으로 분리될 수 있다. 도형의 명확함을 유지하기 위해서, 도 3에서는 하나의 꼬임 쌍에 커플링 되어있는 하나의 이더넷 데이터 변압기(202)만을 도시하고 있다. 그러나, 도 2에 도시된 모든 이더넷 데이터 변압기들이 유사한 방법으로 정렬될 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 이더넷 데이터를 위한 교류(AC) 경로를 제공하지만 DC 전류가 상기 와인딩들을 통해서 흐르지 못하도록 상기 이더넷 데이터 변압기(202)는 상기 각각의 꼬임 쌍의 와이어들(A,B)에 연결된 상기 분리된 와인딩들 사이에 커패시터(C)를 구비할 수 있다. 따라서, 각각의 꼬임 쌍 내에서 상기 와이어들(A,B)은 더 이상 서로에 대해서 DC 연결되어 있지 않다.
변압기(204)의 각각의 와인딩들을 통해서, 상기 꼬임 쌍의 와이어들(A, B)은 전류 밸런싱 회로(206)에 커플링될 수 있는데, 상기 전류 밸런싱 회로(206)는 각각의 꼬임 쌍들 내에서 상기 와이어들(A,B) 각각에 같은 DC 전류를 제공하도록 PSE 전력 공급(208)으로부터의 전력을 제어한다. 만약 지나치게 높은 DC 전류가 상기 데이터 변압기(202)의 와인딩을 통해서 흐르는 경우, 그 코어는 포화(saturate)될 수 있다. 그 결과, 상기 데이터 변압기(202)는 이더넷 데이터 전송을 적절히 수행 하지 못하고 상기 이더넷 데이터 전송을 방해할 수 있다. 또한, 커넥터 접촉들에서의 저항치(resistance), 즉, 와이어링 플랜트(wiring plant)의 다른 소자들 또는 케이블이 하나 또는 다른 와이어에서 지나치게 높은 DC 전류를 일으켜서 상기 데이터 변압기(202)를 포화(saturating)시키는 것을 방지하도록 전류 밸런싱 회로(206)는 상기 꼬임 쌍의 와이어들간의 전류에 밸런스를 맞출 수 있다.
도 4는 전류 밸런싱 회로가 MOSFET들(306,308)의 게이트들을 각각 구동하는 연산 증폭기(operational amplifier)들(302,304)을 포함하는 본 발명의 바람직한 일실시예를 도시하고 있다. 감지 저항(sense resistor)들 Rsense1 및 Rsense2는 MOSFET들(306,308)에 각각 커플링 되어있다. 기준 전압원(reference voltage source)(310)은 기준 전압(Vref)을 연산 증폭기들(302,304)의 비반전(non-inverting) 입력들에 적용할 수 있다. 상기 증폭기(302)의 반전 입력에는 상기 감지 저항(Rsense1)에 대하여 발전된 전압 Vsense1이 공급될 수 있으며, 반면 상기 증폭기(304)의 반전 입력에는 상기 감지 저항(Rsense2)에 대하여 생성된 전압 Vsense2가 제공될 수 있다. 상기 전류 밸런싱 회로가 기준 전압 레벨에 대응하여 상기 감지 전압들(Vsense1, Vsense2)을 같은 레벨에서 유지하는 것이 가능하도록 상기 감지 저항들(Rsense1, Rsense2)은 같은 값을 가질 수 있다.
특히, 상기 증폭기(302)의 출력이 상기 기준 전압(Vref) 및 상기 감지 전압(Vsense1)간의 차이에 대응하는 전압을 생성하는 한편, 상기 증폭기(304)의 출력은 Vref 및 Vsense2간의 차이에 대응하는 전압을 생성한다. 예를 들어, 해당 MOSFET의 출력 전류의 증가에 따라서 증가하는 각각의 감지 전압(Vsense)이 Vref에 근접하는 경우, 상기 각각의 증폭기(302 또는 304)의 출력은 각각의 MOSFET(306 또는 308)의 게이트에서의 전압을 감소시킴으로써 응답한다. 상기 MOSFET의 게이트에서의 전압을 줄임으로써 결과적으로 MOSFET 저항치가 증가하게 되며, 이것은 상기 MOSFET의 출력 전류를 줄이게 될 것이다.
따라서, 도 4의 전류 밸런싱 회로는 MOSFET들(306,308)의 출력들에 따라 같은 전류를 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 꼬임 쌍에서 같은 전류를 유지하도록 상기 전류 밸런싱 회로의 출력 전류들은 이더넷 데이터 변압기들의 와인딩들을 통해서 이더넷 케이블(16)의 각각의 꼬임 쌍들로 공급될 것이다. 대안적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 와이어에서 전류를 같은 레벨로 유지하도록 전류 밸런싱 회로의 출력 전류들은 꼬임 쌍 내의 각각의 와이어들로 제공될 수 있다.
이더넷 케이블에서의 전체 전류를 미리 알지 못하는 PoE 시스템에서, 기준 전압(Vref)은 PD에 의해서 요구되는 전류를 제공하도록 계속적으로 조절될 수 있다. 그러한 조절이 없는 경우, 상기 기준 전압(Vref)은 지나치게 높은 레벨로 설정되어 MOSFET들(306,308)의 출력 신호들을 지나치게 높은 값으로 증가시킬 수 있다. 그 결과, 전류 밸런싱을 일으키는 각각의 피드백 루프(feedback loop)들이 망가질(broken) 수 있다.
예를 들어, 기준 전압(Vref)은 두 개의 밸런싱 감지 저항들로부터 전류를 공급받는 제3 감지 저항을 이용하여 조절될 수 있다. 상기 제3 감지 저항에 대한 전압 레벨의 절반에 대응하는 레벨에서 상기 기준 전압 Vref을 제공하도록 3개의 감지 저항들 모두 같은 값을 가질 수 있다.
도 5는 전류 밸런싱 회로가 고정된 또는 조절 가능한 기준 전압을 사용하는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 특히, 도 5에 도시된 전류 밸런싱 회로는 MOSFET들(406,408)의 게이트들을 각각 구동하는 전류 제한 증폭기(402) 및 밸런스 증폭기(408)를 포함한다. 제1 및 제2 감지 저항들(Rsense1, Rsense2)은 MOSFET들(406,408)에 각각 연결된다. 이때, 상기 감지 저항들(Rsense1, Rsense2)은 상기 저항들을 통해서 흐르는 전류들을 같은 레벨에서 유지하도록 같은 값을 가질 수 있다.
기준 전압원(410)은 기준 전압(Vref)을 전류 제한 증폭기(402)의 비반전 입력에 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기준 전압은 Vref = ILIM x Rsense1(ILIM: 소정의 전류 제한값)으로 설정될 수 있다. 이때, 전류 제한 증폭기(402)의 반전 입력에는 상기 감지 저항(Rsense1)에 대하여 발전된 전압(Vsense1)이 공급될 수 있다.
따라서, 전류 제한 증폭기(402)의 출력은 기준 전압(Vref) 및 상기 감지 전압(Vsense1)간의 차이에 대응하는 전압을 생성한다. MOSFET(406)의 출력 전류의 증가 에 따라서 증가하는 감지 전압(Vsense1)이 Vref에 근접하는 경우, 상기 증폭기(402)의 출력은 MOSFET(406)의 게이트에서의 전압을 감소시킴으로써 응답한다. 상기 MOSFET(406)의 게이트에서의 전압을 줄임으로써 결과적으로 MOSFET 저항치가 증가하게 되며, 이것은 상기 전류를 ILIM 레벨에서 유지하도록 상기 MOSFET(406)의 출력 전류를 줄이게 될 것이다.
감지 전압 Vsense2를 감지 전압 Vsense1의 레벨에서 유지하기 위해서, 밸런스 증폭기(404)는 감지 전압 Vsense1를 감지 저항 Rsense2에 대하여 발전된 감지 전압 Vsense2와 비교한다. 그 결과, MOSFET(408)의 출력 전력은 MOSFET(406)의 출력 전력 레벨에서 유지된다.
따라서, 도 5의 상기 전류 밸런싱 회로는 출력들 각각에 따라서 같은 전류를 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 꼬임 쌍에서 같은 전류를 유지하도록 상기 전류 밸런싱 회로의 출력 전류들은 이더넷 데이터 변압기들의 와인딩들을 통해서 이더넷 케이블(16)의 각각의 꼬임 쌍들로 공급될 것이다. 대안적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 와이어에서 전류를 같은 레벨로 유지하도록 상기 전류 밸런싱 회로의 출력 전류들은 꼬임 쌍 내의 각각의 와이어들로 제공될 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 상기 전류 밸런싱 회로의 개량인 본 발명의 또 다른 바람직한 일실시예를 도시하고 있다. 도 6의 전류 밸런싱 회로에서, 스위치 소자(switching element)들(501,502)은 전류의 흐름을 마그네틱 MAGNETICS 및 PoE 포트로 제어한다. 전류 감지 소자(current sense element)들(503,504)은 그들을 통하 여 흐르는 전류들에 비례하는 출력을 제공한다. 차동 증폭기(510)는 상기 스위치 소자들(503,504)의 출력들을 증폭한다. 이때, 상기 스위치 소자들(503,504)은 각각의 전류 감지 소자들을 통해서 흐르는 전류들간의 차이에 비례하는 신호를 생성한다. 따라서, 이러한 신호는 스위치 소자들(501,502)을 통하여 흐르는 전류들에서의 임밸런스(imbalance)를 나타낸다. 차동 증폭기들(505,506)은 상기 증폭기(510)에 의해서 생성된 상기 임밸런스 신호를 기준 전압원들(507,508)에 의해서 생성된 기준 전압들과 비교한다. 상기 차동 증폭기들(505,506)의 출력은 스위치 소자들(501,502)을 각각 제어하며, 이에 따라 그들을 통해서 흐르는 전류를 제어한다.
전류 감지 소자(504)를 통해서 흐르는 전류보다 더 많은 전류가 전류 감지 소자(503)를 통해서 흐르는 경우, 상기 소자(503)는 더 큰 신호를 생성하게 된다. 이것은 상기 증폭기(510)의 출력 전압이 증가하게 한다. 상기 증폭기(510)의 출력 전압이 기준 전압원(507)에 의해서 생성된 기준 전압보다 큰 경우, 상기 증폭기(505)는 자신의 출력 전압을 감소시켜, 제어 신호를 스위치 소자(501)로 감소시키고 이에 따라 상기 스위치 소자들(501,503)을 통하여 흐르는 전류를 줄인다. 이 경우, 전류 감지 소자들(503,504)를 통해서 흐르는 전류에 다시 밸런스를 가져오는 바람직한 효과를 얻게 된다.
반대로, 전류 감지 소자(503)를 통해서 흐르는 전류보다 더 많은 전류가 전류 감지 소자(504)를 통해서 흐르는 경우, 이것은 상기 증폭기(510)의 출력이 감소하게 한다. 상기 출력이 기준 전압원(508)에 의해서 생성된 기준 전압 아래로 떨어지는 경우, 상기 증폭기(506)는 자신의 출력을 감소시키고, 상기 제어 신호를 스위 치 소자(502)로 감소시키고 이에 따라 상기 소자들(502,504)을 통해서 흐르는 전류를 감소시킨다. 결과적으로, 상기 전류 감지 소자들(503,504)에서의 전류에 다시 밸런스를 가져온다.
도 6의 상기 전류 밸런싱 회로가 전류를 공급하는 PD는 미지의 부하(unknown load)를 나타낸다. 상기 PD의 전류 드로우(current draw)는 빨리 변할 수 있으며, 도 6의 상기 회로가 쉽게 진동하게 할 수 있는 음의 저항치 및 인덕턴스(inductance)와 같은 임피던스(impedance) 특징들을 나타낼 수 있다. 기준 전압원들(507,508)에 의해서 생성된 기준 전압들에 대하여 신중한 선택을 함으로써, 진동(oscillation)을 방지할 수 있다. 상기 증폭기들(505,506) 가운데 하나만이 한번에 폐쇄 피드백 루프(closed feedback loop)에서 작동하고 있도록 상기 기준 전압원들(507,508)에 의해서 생성된 기준 전압들이 선택된다면, 상기 기준 전압들은 작은 신호 발진(oscillation)들에 참여할 수 없다. 일단 이것이 달성된다며, 상기 회로는 종래 수단에 의해서 보상될 수 있다.
상기 증폭기(505)가 폐쇄 피드백 루프에 있도록, 상기 증폭기(510)의 출력은 기준 전압원(507)의 출력 보다 높아야 한다. 상기 증폭기(510)의 출력이 기준 전압원(508)의 출력 미만인 경우 증폭기(506)는 폐쇄 피드백 루프 상태에 있을 것이다. 그래서, 기준 전압원(507)의 출력이 기준 전압원(508)의 출력보다 크도록 선택되는 경우, 상기 증폭기들(505,506) 가운데 하나만이 한번에 폐쇄 피드백 루프에 있을 수 있다.
상기 증폭기들(505,506)과 같은 한 쌍의 비교기(comparator)들에 대하여 다른 기준들을 사용하는 방법은 본 출원의 양수인인 리니어 테크놀러지사(Lear Technology Corporation)에 양도된 그리고 참고로 본 명세서에 편입되어 있는 미국특허 제6,166,527호에 기재되어 있다. 미국특허 제6,166,527호의 도 7 및 8A에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도 6에 도시된 상기 증폭기들(505,506)을 구동 하기 위하여 2개의 별도의 기준 신호들을 사용하거나, 또는 같은 기준을 이용하여 상기 증폭기들로 공급된(fed) 신호에 오프셋을 도입함으로써 똑 같은 효과를 달성할 수 있다.
상술한 기재에서 본 발명의 측면들을 도시하고 설명하였다. 부가적으로, 본 발명은 바람직한 실시예들만을 도시하고 설명하고 있지만, 상술한 바와 같이, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
상술한 실시예들은 본 발명을 실행하는데 있어서 알려진 바람직한 실시예들을 설명하고, 당업자라면 본 발명의 특정한 적용 또는 사용들에 의해서 요구되는 그러한 또는 다른 실시예들을 포함하며 다양한 변형이 가능한 발명을 이용하도록 의도된다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (28)

  1. 적어도 한 쌍의 와이어들을 구비한 통신 케이블을 통해서 전력을 제공하는 시스템에 있어서,
    상기 통신 케이블을 통해서 전력 기기로 전력을 공급하는 전력 공급 장치; 및
    상기 통신 케이블의 상기 와이어들간의 전력 분배를 제어하는 전력 분배 회로 소자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 공급 장치는 이더넷 케이블을 통해서 전력을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 상기 통신 케이블의 상기 와이어들간에 전류의 분배를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 상기 통신 케이블의 상기 와이어들간에 전류의 밸런스를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통신 케이블은 적어도 두 쌍의 와이어들을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 상기 와이어 쌍들간에 전력 분배를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 상기 와이어 쌍들간에 전력의 밸런스를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 상기 와이어 쌍들간에 전류의 분배를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 상기 와이어 쌍들간에 전류의 밸런스를 제공하 도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는
    기준 전압을 제공하는 기준 회로,
    제1 및 제2 감지 저항, 및
    상기 기준 전압을 상기 제1 및 상기 제2 감지 저항에 대한 제1 및 제2 감지 전압과 각각 비교하기 위한 제1 및 제2 연산 증폭기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 전류값들을 제어하기 위해 상기 제1 및 상기 제2 연산 증폭기의 출력들과 각각 커플링된 제1 및 제2 구동 소자들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 구동 소자 각각은 하나 이상의 MOSFET 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는
    기준 전압을 제공하는 기준 회로,
    제1 감지 저항, 및
    상기 기준 전압에 따라서 전류값을 제한하기 위해 상기 기준 전압을 상기 제1 감지 저항에 대한 제1 감지 전압과 비교하는 전류 제한 증폭기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는 제2 감지 저항, 및
    밸런스 증폭기를 더 포함하며,
    상기 밸런스 증폭기는 상기 전류 제한 증폭기 및 상기 밸런스 증폭기의 출력들에 따라 전류값들간 밸런스를 제공하기 위해 상기 제2 감지 저항에 대한 제2 감지 전압을 상기 제1 감지 전압과 비교하는 것
    을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로 소자는
    상기 전류값들을 제어하기 위해 상기 전류 제한 증폭기 및 상기 밸런스 증폭기의 출력들과 각각 결합된 제1 및 제2 구동 소자들
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로는
    한 쌍의 전류 감지 소자들, 및
    상기 전류 감지 소자들에 의해 생성된 신호들간의 차이를 나타내는 신호를 생성하는 제1 차동 증폭기를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로는 상기 제1 차동 증폭기의 출력을 수신하기 위한 제1 입력들 및 각각의 기준값들을 수신하기 위한 제2 입력들을 구비한 한 쌍의 제2 및 제3 차동 증폭기를 포함하며, 상기 제2 차동 증폭기로 공급되는 기준값은 상기 제3 증폭기로 공급되는 기준값과 상이한 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로는 전류값들을 제어하기 위해 상기 제2 및 상기 제3 차동 증폭기의 출력들과 각각 결합된 제1 및 제2 구동 소자들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 전력 공급 장치를 상기 통신 케이블에 결합시키는 변압기
    를 더 포함하고,
    상기 변압기는 상기 통신 케이블 내의 제1 와이어에 대응하는 제1 와인딩 및 상기 통신 케이블 내의 제2 와이어에 대응하는 제2 와인딩
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 와인딩간에 DC 접속을 방지하기 위해서 상기 제1 및 상기 제2 와인딩 사이에 제공되는 용량 소자
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 시스템.
  21. 적어도 한 쌍의 와이어들을 구비한 통신 케이블을 통해서 전력을 공급하는 방법에 있어서,
    상기 통신 케이블을 통해서 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 통신 케이블의 상기 와이어들간의 전력 분배를 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전력은 이더넷 케이블을 통해서 공급되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 전력 분배를 제어하는 단계는
    상기 통신 케이블의 상기 와이어들간에 전류의 밸런스를 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 전력 분배를 제어하는 단계는
    상기 통신 케이블 내 적어도 두 쌍의 와이어들간에 전력의 밸런스를 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 전력 분배를 제어하는 단계는
    상기 와이어 쌍들간 전류의 밸런스를 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  26. 적어도 한 쌍의 네트워크 노드;
    네트워크 허브; 및
    데이터 통신을 제공하기 위해서 상기 네트워크 노드를 상기 네트워크 허브에 접속시키는 적어도 한 쌍의 와이어들을 구비한 통신 케이블링
    을 포함하고,
    상기 네트워크 허브는 상기 통신 케이블링을 통해서 부하로 전력을 공급하는 전력 공급 장치를 구비하고, 상기 네트워크는 상기 와이어들간에 전력의 분배를 제어하는 전력 분배 회로 소자를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 근거리 통신망.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 통신 케이블링은 적어도 두 쌍의 와이어들을 포함하며, 상기 전력 분배 회로 소자는 상기 와이어 쌍들간에 전력 분배를 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 근거리 통신망.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 전력 분배 제어 회로는 상기 와이어 쌍들간에 전류의 분배를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 근거리 통신망.
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