KR20160142393A - PoDL에 대한 광대역 전력 커플링/디커플링 네트워크 - Google Patents

PoDL에 대한 광대역 전력 커플링/디커플링 네트워크 Download PDF

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Abstract

PoDL 시스템은 단일 트위스트 와이어 쌍(14)을 통해 전력 피공급 디바이스(PD)에 DC 전력 및 이더넷 데이터를 공급하는 전력 공급 장비(32)를 포함한다. PSE(32)는 AC 성분을 실질적으로 필터링하고 DC 성분(34)을 통과시키도록 상이한 인덕턴스를 가진 일련의 AC 차단 인덕터 단(L1 내지 L4, CL1 내지 CL4)을 포함하는 캐스케이드형 커플링 네트워크(30)를 통해 DC 전류(34) 및 AC 데이터를 공급한다. 데이터는 캐패시터(C1, C2)를 통해 와이어에 공급된다. PD는 분리된 DC 전력 및 데이터를 PD 부하에 제공하는 정합된 디커플링 네트워크를 갖는다.

Description

PoDL에 대한 광대역 전력 커플링/디커플링 네트워크{BROADBAND POWER COUPLING/DECOUPLING NETWORK FOR PoDL}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 가드너 앤드류 제이에 의해 2014년 4월 9일에 출원된 미국 가출원 제 61/977,299 호의 우선권을 주장한다.
본 출원은 DC 전력이 차동 데이터 라인을 통해 송신되는 PoDL(power over data line) 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 전력 공급 장비(Power Sourcing Equipment:PSE)에서 트위스트 와이어 쌍(twisted wire pair)에 DC 전력과 AC 데이터를 커플링하고 전력 피공급 디바이스(Powered Device:PD)에서 트위스트 와이어 쌍으로부터 DC 전력과 AC 데이터를 디커플링하는 시스템에 대한 광대역 네트워크에 관한 것이다.
PoE에서, 제한된 전력이 이더넷 스위치로부터 이더넷 접속 장비(예컨대, VoIP 전화기, WLAN 송신기, 보안 카메라 등)로 송신된다. 일 유형의 PoE 시스템에서, 스위치로부터의 호출된 PoDL, DC 전력은 단일 트위스트 와이어 쌍을 통해 송신된다. 동일한 트위스트 와이어 쌍은 또한 차동 데이터 신호를 송신/수신한다. 이러한 방법으로, PD에 임의의 외부 전원을 제공할 필요성이 제거될 수 있다. PoE 및 PoDL에 대한 표준은 IEEE 802.3에 기술되고 잘 알려져 있다.
도 1은 이더넷 PoDL 시스템에서 PSE(10)와 PD(12) 사이의 종래의 커플링/디커플링 네트워크를 도시한다. PSE(10)는 DC 전압원으로서 표현되지만, 차동 데이터 송신기 또는 수신기를 포함할 수도 있다. 차동 데이터는 임의의 다른 회로에 의해 생성될 수도 있다. PD(12)는 DC 전압을 수신하는 부하에 의해 표현되고, PD(12)는 와이어 쌍(14)을 통해 차동 데이터를 수신하는 임의의 회로를 포함할 수 있다.
도 1의 예에서, DC 전력은, DC 전압원으로부터 차동 AC 데이터(또는 고주파 전류)를 동시에 차단하면서, DC 전압원과 와이어 쌍(14) 사이에 전력을 위한 DC(또는 저주파 전류)를 전도하는 ("물리" PHY 계층의 일부로서) 커플링 네트워크를 거쳐 단일 트위스트 와이어 쌍(14)을 통해 PSE(10)로부터 PD(12)로 전달된다. 이와 유사하게, PD(12)는, PD(12) 내의 데이터 단자에 PHY의 AC 데이터만을 전도하면서, PD 부하에 전력을 공급하기 위해 송신된 DC 전압을 디커플링하는 디커플링 네트워크를 사용한다. 매우 광범위한 주파수를 통해 PHY의 AC 데이터를 차단하기 위한 커플링/디커플링 네트워크의 능력은 데이터 레이트가 10 Mbps 미만에서 1 Gbps 초과까지 변할 수 있는 PoDL 이더넷 애플리케이션에 대한 중요한 요건이다. 도 1의 예에서, 캐패시터(C1 내지 C4)는 데이터 경로에서 DC를 차단하도록 의도되지만, 인덕터(L1 내지 L4)는 전력 경로에서 AC를 차단하도록 의도된다.
도 1에서, 인덕터(L1 내지 L4)는 와이어(14)에/으로부터 PSE(10) 전압원과 PD(12) 부하 사이에서 흐르는 DC를 커플링/디커플링하는 데 사용된다. 인덕터(L1 내지 L4)는 임피던스가 주파수에 비례하는 AC 차단 디바이스이다. 비례 상수는 인덕턴스(L)로서 지칭된다. 각각의 인덕터의 2 개의 단자 사이의 기생 캐피시턴스 때문에, 임피던스는 자기공명 주파수에서 최대치에 도달할 수 있고 그 다음에 주파수가 증가하면서 감소하기 시작할 수 있다. 자기공명 주파수(SRF)는 SRF = 1/{2π√(LCparasitic)}로 표현될 수 있고, Cparasitic는 인덕터의 기생 인트라 와인딩 캐패시턴스이다.
광범위한 주파수를 통해 AC를 방해하기 위한 단일 인덕터의 능력은 인덕턴스의 크기, 인덕턴스의 손실 없이 DC 전류를 전도시키는 인덕터의 능력, 및 기생 캐패시턴스에 의존한다. PSE와 PD의 PHY들 사이에 송신되는 디지털 데이터의 광대역 특징 때문에, 단일 인덕터가 요구되는 대역폭을 통해 PHY의 종단과 션트로 충분한 임피던스를 유지하는 것이 가능하지 않을 수 있으며, 이는 와이어 쌍 커넥터에서 불충분한 반사 손실(return loss)을 초래한다.
광대역폭을 통해 전력 경로에서 AC를 차단하면서 DC를 통과시키는 문제점은 다이플렉서(diplexer)와 바이어스 티(bias tee)를 사용하여 해결되었지만, 이들 디바이스는 불균형 동축 송신 라인에 대해 설계되므로 비차폐 균형 트위스트 쌍 데이터 라인에 의존하는 PoDL 애플리케이션에 적합하지 않다. 그러한 부적합한 광대역 바이어스 티는 필수 스너빙(snubbing)을 가진 캐스케이드형 인덕터를 사용하며, 그러므로 충분한 광대역 션트 임피던스를 전달하기 위해 단일 인덕터의 SRF의 한계를 극복한다.
도 2는 비차폐 트위스트 와이어 쌍을 사용하여 PoDL에 부적합한, 현대 문헌에서 발견된 4단 광대역 바이어스 티(20)를 도시한다.
PoDL 애플리케이션에 대해, 완전 균형 토폴로지(fully balanced topology)가 요구된다.
그러므로, PoDL 분야에서 필요한 것은 적절히 큰 반사 손실을 가진 광대역폭 AC 데이터와 DC 전력을 조합하거나 분리하는 개선된 커플링/디커플링 네트워크이다.
PoDL 네트워크에서 PSE 또는 PD에 대한 완전 균형 커플링/디커플링 네트워크가 설명되며, 여기서 (전력에 대한) DC 채널과 (데이터에 대한) AC 채널은 단일 트위스트 와이어 쌍을 통해 동시에 송신된다. AC 채널은 매우 넓은 대역폭을 요구할 수 있고, 반사 손실은 요구되는 대역폭에 대해 적절히 커야 한다. 높은 반사 손실은 낮은 삽입 손실을 초래한다.
단일 트위스트 와이어 쌍으로의 DC 및 AC 커플링을 위해 PSE에 사용되는 커플링 네트워크의 예에서, AC 차단 단의 캐스케이드형 네트워크가 사용될 수 있다. 회로는 쌍의 양 선에 대해 동일할 수 있다.
일례에서, (전력에 대한) 포지티브 DC 전압이 33 마이크로헨리(uH) 인덕터에 인가된다. 이것 다음에 1 uH 인덕터가 이어진다. 각각의 인덕터는 기생 캐패시턴스를 가지며, 이는 바람직하지 않게 자기공명 주파수(SRF)에서 자기공명 회로를 생성할 수 있다. 1 uH 인덕터에 대한 SRF는 33 uH 인덕터에 대한 SRF보다 훨씬 크다. 동일한 회로가 네거티브 DC 전압과 다른 와이어 사이에 커플링된다. 2 개의 와이어 사이에, 33 uH 인덕터와 1 uH 인덕터의 접합부에서, 직렬로 접속된 저항과 캐패시터가 연결되어 인덕터들 사이의 공진 상호작용을 감소시킨다. 2 개의 와이어에 대해 대향하는 인덕터는 회로 균형을 향상시키고 코어 재료를 보존하도록 공통 코어 주위에 감길 수 있다. 필요한 반사 손실을 가진 AC 채널의 대역폭을 증가시키기 위해 점진적으로 감소하는 인덕턴스를 가진 추가 인덕터 단이 추가될 수 있다.
PHY의 AC 데이터가 AC 커플링 캐패시터를 통해 각각의 와이어에 인가된다.
PD는 PD 부하로의 인가를 위한 DC와 AC를 분리시키는 유사한 디커플링 네트워크를 가질 수 있다.
(각각 상이한 SRF를 가지는) 직렬인 2 개 이상의 인덕터를 사용하는 캐스케이드형 네트워크와 달리, 종래 기술(예컨대, 도 1)은 단일 인덕터만을 사용한다.
캐스케이드형 네트워크는 적절히 큰 반사 손실을 가진 매우 넓은 대역폭 AC 커플링/디커플링 네트워크를 생성한다.
캐패시터, 인덕터 및 저항의 상이한 값은 PoDL 시스템의 최적의 조건에 따라 사용될 수 있다.
여러 다른 실시예가 설명된다.
PSE 및 PD라는 용어는 전력을 공급하는 장비 및 전력을 수신하는 장비를 식별하도록 이 개시내용 전체에 걸쳐 사용되며, 그러한 장비/디바이스는 달리 지정하지 않는 한 이더넷 장비/디바이스로 제한되지 않는다.
도 1은 PD에 전력 및 데이터를 공급하기 위해 단일 와이어 쌍을 사용하는 종래의 PoDL 인에이블 이더넷 시스템을 도시한다.
도 2는 트위스트 와이어 쌍을 사용하는 PoDL에 부적합한, 동축 케이블과 함께 사용할 알려진 4단 광대역 바이어스 티를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, DC(전력) 및 광대역폭 PHY AC 데이터를 트위스트 와이어 쌍에 커플링하기 위한 PSE에 대한 캐스케이드형 커플링 네트워크를 도시한다.
도 4는 반사 손실(100Ω 기준 임피던스를 가짐) 대 주파수를 나타내는, 도 3의 커플링/디커플링 네트워크의 시뮬레이션에 의해 획득된 그래프이다.
동일하거나 동등한 요소는 같은 번호로 라벨링된다.
도 3은 DC 전압원(34)에 의해 생성된 DC 전력 신호(예컨대, 12 볼트)를 트위스트 와이어 쌍(14)에 커플링하고, 또한 PHY(36)에 의해 생성된 차동 AC 데이터 신호를 트위스트 와이어 쌍(14)에 커플링하는 PSE(32) 내의 캐스케이드형 커플링 네트워크(30)를 도시한다. PHY(36)는 시스템의 대역폭 내의 임의의 주파수에서 AC 데이터를 생성하고 수신하는 차동 데이터 송수신기를 포함한다. 그러한 송수신기는 통상적이고 설명할 필요가 없다. DC 신호는 PHY(36)로부터 차단되고, AC 신호는 DC 소스로부터 차단된다. 각각의 와이어마다 회로가 동일하므로 신호의 극성은 반대로 도시될 수 있다.
인쇄 회로 기판 트레이스 또는 와이어를 포함할 수 있는 상부 도전체를 따라, (다른 DC 전압 단자에 비해) 포지티브 DC 전압이 33 uH 인덕터(L1)에 인가되는데, 그 인덕터는 예컨대, 5.25 pF(피코패럿)의 기생 캐패시턴스(CL1)를 가질 수 있다. 인덕터(L1)로부터의 다운스트림은 1 uH 인덕터(L3)인데, 그 인덕터는 예컨대, 262 fF(펨토패럿)의 낮은 기생 캐패시턴스(CL3)를 가질 수 있다. 인덕터(L3)에 대한 자기 공명 주파수(SRF)는 인덕터(L1)의 SRF보다 휠씬 크다.
인쇄 회로 기판 트레이스 또는 와이어를 포함할 수 있는 하부 와이어를 따라, 상부 와이어 회로의 미러 이미지인 회로가 제공된다. 미러링된 인덕터는 인덕턴스를 증가시키고 공통 모드 전류의 양호한 제거(rejection)를 위한 매칭을 개선하도록 공통 코어를 가질 수 있다. 특히, 네거티브 DC 전압이 33 uH 인덕터(L2)에 인가되는데, 그 인덕터는 예컨대, 5.25 pF(피코패럿)의 기생 캐패시턴스(CL1)를 가질 수 있다. 인덕터(L2)로부터의 다운스트림은 1 uH 인덕터(L4)인데, 그 인덕터는 예컨대, 262 fF(펨토패럿)의 낮은 기생 캐패시턴스(CL4)를 가질 수 있다.
2k Ω 저항(R3)과 5 pF 캐패시터(C3)은 인덕터(L1 및 L2)와 인덕터(L3 및 L4) 사이에 션트로 접속되어 L1 내지 L4 인덕터들 사이의 공진 상호작용을 감소시킨다.
인덕터(L1 내지 L4)는 DC 전압을 전달한다. DC 전압은 PSE(32)의 출력 단자(38)에서 트위스트 와이어 쌍(14)에 인가된다.
PHY(36) 내의 차동 데이터 송수신기에 의해 생성된 AC 차동 데이터 신호는 1 uH 캐패시터(C1 및 C2)를 통해 트위스트 와이어 쌍(14)에 AC 커플링된다. 캐패시터(C1 및 C2)는 DC 전압원(34)에 의해 생성된 DC 전압을 충분히 차단한다. 데이터는 필요하다면 종단 저항을 통해 캐패시터(C1 및 C2)에 커플링될 수 있다.
도 4는 PSE(32) 내의 커플링 네트워크(30)를 시뮬레이션함으로써 획득되는, (100 Ω 기준 임피던스를 가진 dB 단위의) 반사 손실 대 주파수의 그래프(40)이다. 20 dB 반사 손실은 크고, 그래프(40)는 약 1 MHz 내지 1 GHz의 데이터 대역폭이 20 dB 반사 손실보다 커지게 됨을 도시한다. 반대로, 그래프(42)는 33 uH 인덕터만이 사용된 반사 손실 대 주파수를 도시한다. 이와 유사하게, 그래프(44)는 1 uH 인덕터만이 사용된 반사 손실 대 주파수를 도시한다. 그래프(40)는 훨씬 더 넓은 범위의 실제 데이터 주파수를 나타낸다.
트위스트 와이어 쌍(14)에 접속된 PD는 인덕터(L1 및 L2)의 출력에 커플링된 PD 부하의 DC 전력 단자 및 캐패시터(C1 및 C2)의 출력 단자에 커플링된 PD 부하의 차동 데이터 단자를 가진 커플링 네트워크(30)와 동일한 구성요소를 가질 것이다. PD는 캐패시터(C1 및 C2)에 커플링된 차동 데이터 송수신기를 포함한다. 필요에 따라 종단 저항이 사용될 수 있다.
도면에 도시된 값은 특정 애플리케이션에 대해 최적으로 고려되지만, 다른 애플리케이션에 대해 다른 값이 최적일 수 있다. 제조자는 공통 모드 전류의 최대 제거를 위해 각각의 와이어마다 인덕터를 완벽하게 매칭하도록 시도해야 하지만, 인덕터는 대략적으로만 매칭될 수 있다고 이해된다.
내려가는 인덕터 값을 가진 전력 경로 내의 추가 AC 차단 단은 더 넓은 대역폭을 획득하도록 인덕터(L3/L4)의 우측에 접속될 수 있다. 일례에서, 각각의 단은 적어도 이전 단의 1/10인 인덕턴스를 갖는다.
네트워크의 나머지가 장착되는 인쇄 회로 기판 상의 트레이스 패턴에 의해 작은 1 uH 인덕터(L3/L4)가 형성될 수 있다. 그러한 인덕터에 대한 트레이스를 사용하는 것은 기생 캐패시턴스를 감소시켜서 데이터 신호의 최고 예상 주파수 이상으로 SRF를 바람직하게 증가시킬 수 있다.
가능한 경우에, 트위스트 와이어 쌍 내의 공통 모드 전류의 양호한 제거를 위한 매칭을 향상시키고 코어 재료를 보존하기 위해 대향 인덕터 쌍이 공통 코어 상에 감길 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당업자에게 더 넓은 양상에서 이 발명으로부터 벗어나지 않으면서 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 자명할 것이므로, 첨부된 청구범위는 그러한 모든 변경 및 수정을 발명의 범주 내에 포함한다.

Claims (9)

  1. 와이어 쌍(wire pair)을 통해 전력 및 데이터를 공급하는 PoDL(power over data line) 시스템 - 상기 와이어 쌍(14)은 전력 공급 장비에 커플링된 제 1 단부(38)를 가지며 전력 피공급 디바이스에 커플링된 제 2 단부를 가진, 제 1 와이어 및 제 2 와이어임 - 으로서,
    제 1 전압원 단자 및 제 2 전압원 단자를 가진 상기 전력 공급 장비 내의 DC 전압원(34) - 상기 제 1 전압원 단자와 상기 제 2 전압원 단자 사이에 DC 전압이 존재함 - 과,
    상기 제 1 전압원 단자에 커플링된 제 1 단자를 가진, 상기 전력 공급 장비 내의 2 개 이상의 인덕터(L1, L3)의 제 1 직렬 결합 - 상기 2 개 이상의 인덕터의 제 1 직렬 결합은 또한, 상기 제 1 와이어의 제 1 단부(38)에 커플링되어 제 1 필터링된 DC 전압을 출력하는 제 2 단자를 가짐 - 과,
    상기 제 2 전압원 단자에 커플링된 제 3 단자를 가진, 상기 전력 공급 장비 내의 2 개 이상의 인덕터(L2, L4)의 제 2 직렬 결합 - 상기 2 개 이상의 인덕터의 제 2 직렬 결합은 또한, 상기 제 2 와이어의 제 1 단부(38)에 커플링되어 제 2 필터링된 DC 전압을 출력하는 제 4 단자를 가짐 - 과,
    제 1 데이터 단자 및 제 2 데이터 단자를 가진 차동 데이터 송수신기(36)와,
    상기 제 1 데이터 단자에 커플링된 제 5 단자를 가진 제 1 캐패시터(C1) - 상기 제 1 캐패시터는 상기 제 1 필터링된 DC 전압과 데이터를 결합하도록 상기 제 1 와이어의 제 1 단부(38)에 커플링되는 제 6 단자를 가짐 - 와,
    상기 제 2 데이터 단자에 커플링된 제 7 단자를 가진 제 2 캐패시터(C2) - 상기 제 2 캐패시터는 상기 제 2 필터링된 DC 전압과 상기 데이터를 결합하도록 상기 제 2 와이어의 제 1 단부(38)에 커플링되는 제 8 단자를 가짐 - 를 포함하는
    PoDL 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 직렬 결합(L1, L3)과 상기 제 2 직렬 결합(L2, L4) 사이에 커플링된 제 3 캐패시터(C3)를 더 포함하는
    PoDL 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 직렬 결합(L1, L3)과 상기 제 2 직렬 결합(L2, L4) 사이에서 제 1 저항(R3)과 직렬로 커플링된 상기 제 3 캐패시터(C3)를 더 포함하는
    PoDL 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 직렬 결합은 상기 제 1 단자를 가진 제 1 인덕터(L1) 및 상기 제 2 단자를 가진 제 2 인덕터(L3)를 포함하고, 상기 제 1 인덕터는 상기 제 2 인덕터의 제 2 인덕턴스보다 큰 제 1 인덕턴스를 가지며,
    상기 제 2 직렬 결합은 상기 제 3 단자를 가진 제 3 인덕터(L2) 및 상기 제 4 단자를 가진 제 4 인덕터(L4)를 포함하고, 상기 제 3 인덕터는 상기 제 1 인덕턴스와 거의 동일한 인덕턴스를 갖고, 상기 제 4 인덕터는 상기 제 2 인덕턴스와 거의 동일한 인덕턴스를 가지는
    PoDL 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 차동 데이터 송수신기(36)는 종단 저항을 통해 상기 제 1 캐패시터(C1) 및 상기 제 2 캐패시터(C2)에 커플링되는
    PoDL 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 피공급 디바이스를 더 포함하는
    PoDL 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 피공급 디바이스는 상기 제 1 와이어 및 상기 제 2 와이어를 통해 상기 데이터 및 전압을 수신하도록 커플링되고, 상기 전력 피공급 디바이스는 상기 제 1 와이어 및 상기 제 2 와이어 상의 상기 데이터로부터 상기 DC 전압을 분리하는 디커플링 네트워크를 가지며, 상기 디커플링 네트워크는 상기 2 개 이상의 인덕터(L1, L3)의 제 1 직렬 결합 및 상기 2 개 이상의 인덕터(L2, L4)의 제 2 직렬 결합에 정합되는 인덕터를 포함하고, 상기 디커플링 네트워크는 또한 상기 제 1 캐패시터(C1) 및 상기 제 2 캐패시터(C2)에 정합되는 캐패시터를 포함하는
    PoDL 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 직렬 결합(L1, L3) 및 상기 제 2 직렬 결합(L2, L4) 내의 인덕터 중 2 개 이상은 서로 커플링되는(mutually coupled)
    PoDL 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인덕터(L1 내지 L4) 중 하나 이상은 인쇄 회로 기판 상의 트레이스를 사용하여 형성되는
    PoDL 시스템.
KR1020167031216A 2014-04-09 2015-04-09 PoDL에 대한 광대역 전력 커플링/디커플링 네트워크 KR101805344B1 (ko)

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