TW201322580A - 用於確定帶電電纜的電阻的供電設備、方法及系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及高功率乙太網供電網路的電纜電阻的確定，其示例性實施方式披露了用於確定帶電電纜的電阻的供電設備(PSE)。PSE包括使第一電流流經PSE第一和第二輸出端的第一電源電壓，PSE也包括使第二電流流經PSE第三和第四輸出端的第二電源電壓，PSE還包括從第一電流偏置第二電流以在第二和第一電源電壓之間形成偏置電壓進而確定帶電電纜的電阻的電流調制電路。該電流調制電路能夠運用可變電阻開關而從第一電流偏置第二電流以調節第二電流。

Description

用於確定帶電電纜的電阻的供電設備、方法及系統
本發明涉及高功率乙太網供電網路的電纜電阻確定。
乙太網供電(PoE)允許諸如互聯網協定(IP)電話、無線LAN接入點(access point)以及安全網路攝像機的受電設備(powered device)(PD)通過乙太網電纜接收電力和資料。在PoE網路中，供電設備(power sourcing equipment)(PSE)可以通過乙太網電纜連線至一個或多個受電設備(PD)。PSE能向一個或多個PD分配電力並通過乙太網電纜將電力傳輸至一個或多個PD。乙太網電纜包括四對線，每對線為用於差分信號的雙絞線。在某些PoE網路中，乙太網電纜中的四對線只有兩對用於將電力傳輸至一個或多個PD。然而，乙太網電纜中的四對線越來越普遍地用於將電力傳輸至一個或多個PD。通過應用兩對以上的線，PoE網路能支援更高的電流，同時使電纜損耗降低。
在PoE網路中將電力分配至一個或多個PD的過程中，PSE能確定電力損耗並由此預算一個或多個PD之間的電力分配。由於不能精確地確定電力損耗，例如，PSE可能估算電力損耗並基於估算的電力損耗而停止向一個或多個PD傳輸電力以維持PoE網路的期望功率效率。作為另一個實例，PSE可能基於對最壞情況而不精確地向一個或多個PD分配較少電力。在PoE網路中，乙太網電纜電阻是導致電力損耗的重要原因。這樣，PSE要估算乙太網電纜電阻以確定電力損耗。例如，時域反射計可與每單位長度乙太網電纜的平均電阻一起用於估算乙太網電纜的電阻。
本公開涉及高功率PoE網路中的電纜電阻確定方法，基本上如至少一個附圖所示或結合至少一個附圖的描述那樣，在申請專利範圍中更完整地闡述。
本公開的一個方面涉及一種用於確定帶電電纜的電阻的供電設備，所述供電設備包括：使第一電流流經所述供電設備的第一和第二輸出端的第一電源電壓；使第二電流流經所述供電設備的第三和第四輸出端的第二電源電壓；從所述第一電流偏置所述第二電流以在所述第二電源電壓和所述第一電源電壓之間產生偏置電壓進而確定所述帶電電纜的所述電阻的電流調制電路。
根據本公開的供電設備中，較佳地是所述電流調制電路利用可變電阻開關從所述第一電流偏置所述第二電流以調節所述第二電流。
根據本公開的供電設備中，較佳地是所述可變電阻開關包括了Rdson(導通電阻)已被調節的至少一個電晶體。
根據本公開的供電設備中，較佳地是所述電流調制電路強制所述偏置電壓維持在低於預定的最大值。
根據本公開的供電設備中，較佳地是所述供電設備通過所述帶電電纜將所述第一和第二電源電壓施加至受電設備。
根據本公開的供電設備中，較佳地是所述供電設備用於乙太網供電網路。
本公開的另一方面涉及一種確定由乙太網供電網路中供電設備所用的帶電電纜的電阻的方法，所述方法包括：施加第一電源電壓以使第一電流流經所述供電設備的第一 和第二輸出端；施加第二電源電壓以使第二電流流經所述供電設備的第三和第四輸出端；從所述第一電流偏置所述第二電流以在所述第二電源電壓和所述第一電源電壓之間產生偏置電壓進而確定所述帶電電纜的所述電阻。
在上述方法中，較佳地是利用可變電阻開關從所述第一電流偏置所述第二電流以調節所述第二電流。
在上述方法中，較佳地是所述可變電阻開關包括了Rdson已被調節的至少一個電晶體。
在上述方法中，較佳地是包括強制所述偏置電壓維持在低於預定的最大值。
在上述方法中，較佳地是所述第一和第二電源電壓通過所述帶電電纜施加至受電設備。
在上述方法中，較佳地是電流調制電路用所述偏置電壓確定所述帶電電纜的所述電阻。
在上述方法中，較佳地是電流調制電路用所述第一電流和所述第二電流確定所述帶電電纜的所述電阻。
本公開的又一方面涉及一種用於確定帶電電纜的電阻的系統，所述系統包括：受電設備；供電設備，通過所述帶電電纜將第一電源電壓施加至所述受電設備並使第一電流流經所述帶電電纜中的第一和第二導電對；所述供電設備通過所述帶電電纜將第二電源電壓施加至所述受電設備並使第二電流流經所述帶電電纜中的第三和第四導電對；電流調制電路，從所述第一電流偏置所述第二電流以在所述第二電源電壓和所述第一電源電壓之間產生偏置電壓進而確定所述帶電電纜的所述電阻。
在上述系統中，較佳地是所述電流調制電路利用可變 電阻開關從所述第一電流偏置所述第二電流以調節所述第二電流。
在上述系統中，較佳地是所述可變電阻開關包括了Rdson已被調節的至少一個電晶體。
在上述系統中，較佳地是所述電流調制電路強制所述偏置電壓維持在低於預定的最大值。
在上述系統中，較佳地是所述電流調制電路位於所述供電設備內。
在上述系統中，較佳地是所述電流調制電路用所述偏置電壓確定所述帶電電纜的所述電阻。
在上述系統中，較佳地是所述帶電電纜是帶電的乙太網電纜。
下文中的說明含有與本發明實施方式有關的具體資訊。本領域技術人員應明白，本發明可以用不同于本文所討論的具體方式進行實施。本申請中的附圖及其所附的詳細說明僅僅是示例性實施方式。除非另有說明，附圖中相同或相應的元件可以由相同或相應的參考符號表示。此外，本申請中的附圖及圖示是大略的而不是按比例示出的，並且未與實際的相關尺寸對應。
圖1示出了用於確定乙太網供電(PoE)網路中由供電設備(PSE)所用的帶電電纜電阻的方法的示例性流程圖100。流程圖100所示的方法和技術足以說明本發明的至少一個實施方式，然而，本發明的其他實施方式可以運用不同於流程圖100所示的方法和技術。此外，儘管流程圖100就圖2A和圖2B所示的乙太網供電(PoE)網路200進行 說明，但是公開的發明概念並不限於圖2A和圖2B所示PoE網路200的具體特徵。此外，儘管示出的各種特徵可能包含在特定元件中，但是這些特徵可以在不同實施方式中出現在其外部。作為一個實例，在各種實施方式中，圖2A和圖2B所示的電流調制電路216和/或電源208可以設置在PSE 202的外部。
現在參考圖1所示的流程圖100和圖2A所示的PoE網路200，流程圖100包括將第一電源電壓施加至帶電乙太網電纜的第一和第二導電對以使第一電流流經PSE的第一和第二輸出端(output terminal)(流程圖100中的170)。PoE網路200包括用於確定帶電乙太網電纜206(或者更概括地講“帶電電纜206”)的電阻RC的PSE 202。
如圖2A所示，PoE網路200包括PSE 202、受電設備(PD)204以及帶電乙太網電纜206。PSE 202包括電源208、開關210、開關控制器212、可變電阻開關214、電流調制電路216以及輸出端218a、218b、218c和218d(在本文中也統稱為“輸出端218”)。帶電乙太網電纜206包括導電對(conductive pair)220、222、224和226。受電設備204包括橋式整流器228和230以及負載232。
PSE 202能用於PoE網路200以通過帶電乙太網電纜206向PD 204提供電力和資料。例如，PD 204可能是IP電話、無線LAN接入點和安全網路攝像機。在PoE網路200中，PSE 202通過帶電乙太網電纜206連接至PD 204。PSE 202可以向PD 204分配電力並通過帶電乙太網電纜206將電力傳輸至PD 204。
在本實施方式中，帶電乙太網電纜206包括四對線( 即導電對220、222、224和226)，每對線為用於差分信號(differential signaling)的雙絞線(twisted pair)。例如，每個輸出端218利用PSE 202內各自的變壓器來產生差分信號(differential signal)，然後這些不同信號又由PD 204內另一個變壓器以本領域已知的方式結合。應注意的是，儘管運用帶電乙太網電纜206對本實施方式進行了說明，根據本發明的實施方式不需要乙太網電纜並且可以包括多於或少於四個導電對。此外，在某些實施方式中，任何導電對可以由單線或多於三根的線來代替。此外，在某些實施方式中可以不用差分信號。
跨越帶電乙太網電纜206的導電對220和222而施加第一Vsupply以使電流I1流經PSE 202的輸出端218a和218b。圖2A示出了PSE 202，其包括第一Vsupply以使電流I1流經PSE 202的輸出端218a和218b。
例如，如圖2A所示，PSE 202和PD 204由帶電乙太網電纜206連接。帶電乙太網電纜206的導電對220一端連接至輸出端218a，而另一端由PD 204接收。還是如圖2A所示，輸出端218a耦接至電源208的正極端子，並且導電對220由橋式整流器228的輸入(input)234a接收。負載232耦接至橋式整流器228的整流正軌跡(rectified positive rail)236a。類似地，帶電乙太網電纜206的導電對222一端連接至輸出端218b，而另一端由PD 204接收。還是如圖2A所示，輸出端218b通過開關210而耦接至電源208的負極端子，並且導電對222由橋式整流器228的輸入234b接收。負載232還耦接至橋式整流器230的整流負軌跡236b。
因此，在PoE網路200中，開關210可用于形成電流通路以使電流I1流經PSE 202的輸出端218a和218b。例如，如圖1的流程圖100中的步驟170所示，開關控制器212使開關210能讓電源208產生跨輸出端218a和218b的第一Vsupply。這樣，在本實施方式中，電流通路的形成從電源208開始、經過輸出端218a、導電對220以及橋式整流器228而進入負載232，並經過橋式整流器228、導電對222和輸出端218b而返回至接地。作為一個具體例子，第一Vsupply可以為約48伏。
參考圖1所示的流程圖100和圖2A所示的PoE網路200，流程圖100中的步驟172公開了跨越帶電乙太網電纜的第三和第四導電對而施加第二電源電壓以使第二電流流經PSE的第一和第二輸出端。
在動作172中，跨越帶電乙太網電纜218的導電對224和226而施加第二Vsupply以使電流I2流經PSE 202的輸出端218c和218d。圖2A示出了的PSE 202，其包含第二Vsupply以使電流I2流經PSE 202輸出端218c和218d。
例如，如圖2A所示，帶電乙太網電纜206的導電對224一端連接至輸出端218c，而另一端由PD 204接收。還是如圖2A所示，輸出端218c耦接至電源208的正極端子，並且導電對224由橋式整流器230的輸入238a接收。負載232耦接至橋式整流器230的整流正軌跡240a。類似地，帶電乙太網電纜206的導電對226一端連接至輸出端218d，而另一端由PD 204接收。還是如圖2A所示，輸出端218d通過可變電阻開關214而耦接至電源208的負極端子，並且導電對226由橋式整流器230的輸入234a接收。負載232 還耦接至橋式整流器230的整流負軌跡240b。
因此，在PoE網路200中，可變電阻開關214用於形成電流通路以使電流I2流經PSE 202的輸出端218c和218d。例如，在動作172中，電流調制電路216使可變電阻開關214能讓電源208產生第二Vsupply。這樣，在本實施方式中，電流通路的形成從電源208開始、經過輸出端218c、導電對224以及橋式整流器230而進入負載232，並經過橋式整流器230、導電對226和輸出端218d而返回至接地。作為一個具體例子，第二Vsupply可以為約48伏。
圖2A示出了執行流程圖100中的動作170和172後的PoE網路200。在一些實施方式中，同時進行動作170和172。在另一些實施方式中，動作170先於動作172執行。在另一些實施方式中，動作172先於動作170執行。在圖2A中，PSE 202通過帶電乙太網電纜206向PD 204施加第一Vsupply和第二Vsupply。因此，如上所述，導電對220、222、224和226均用於向PD 204傳輸電力。因此，PoE網路200支援高電流並且具有低電纜損耗。
在PoE網路200中向PD 204分配電力的過程中，PSE 202能確定電力損耗並相應地預算對PD 204的電力分配。在PoE網路200中，乙太網電纜電阻是導致電力損耗的重要原因。在本實施方式中，電流調制電路216能夠確定乙太網電纜電阻進而確定電力損耗。在所示出的實施方式中，每個導電對220、222、224和226的每根線具有電阻RC(為了簡單起見)。然而，應注意的是，實際電阻可以不同，PoE標準可要求各個導電對之間的電阻不平衡不超過3%。
在PoE網路200中，電阻RC可以通過下列等式1來確定：
其中，I1=(1-k)*(I1+I2)，而I2=k*(I1+I2)，k為電流I1和I2之間的不平衡常數。然而，在步驟170和172之後，在PSE 202用導電對220、222、224和226向PD 204傳輸電力，通常第一Vsupply-第二Vsupply彼此相等或幾乎相等。類似地，電流I1和I2通常彼此相等或幾乎相等。換句話說，在等式1中，k可能等於或幾乎等於0.5。這樣，在圖2A中，等式1不能用於精確地確定電阻RC。
現在參考圖1中的步驟174和圖2B的PoE網路200，流程圖100中的步驟174包括從第一電流偏置(offset)第二電流以在第二和第一電源電壓之間產生偏置電壓，同時任選地(optionally)強制電壓偏置以維持低於預定的最大值。
在步驟174中，電流I2從電流I1偏置以在第二Vsupply和第一Vsupply之間產生偏置電壓Voffset進而確定電阻RC。更具體地，在本實施方式中，電流調制電路216偏置電流I2至電流I2offset=I2-Ioffset，同時電流I1=I1+Ioffset，假定圖2A中流向負載232的電流基本上保持不變。
在本實施方式中，例如，電流調制電路216利用可變電阻開關214從電流I1偏置電流I2以將電流I2調節為電流I2offset。更具體地，可變電阻開關214包括至少一個電晶體，其Rdson(導通電阻)被電流調制電路216調節。作為一個 實例，圖2B示出了作為連接在輸出端218d和地面之間的電晶體的可變電阻開關214。電流調制電路216耦接至可變電阻開關214的閘極G並且可以通過控制施加至閘極G的電位來調節可變電阻開關214的Rdson。在某些優選實施方式中，可變電阻開關214的Rdson從電流I1減少至偏置電流I2。然而，在其他實施方式中，可變電阻開關214的Rdson從電流I1增加至偏置電流I2。
在本實施方式中，通過執行步驟174，電流I2變為電流I2offset，而電流I1變為電流I1offset。在某些實施方式中，例如，開關210也是可變電阻開關，以便電流調制電路216應用可變電阻開關從電流I1偏置電流I2以調節電流I1。例如，電流調制電路216連接至開關210，而不是連接至開關控制器212。此外，在某些實施方式中，電流調制電路216不包括可變電阻開關214。例如，開關210和可變電阻開關214在從電流I1偏置電流I2的過程中的角色可以與圖中所示的相反。此外，儘管本實施方式應用的是可變電阻開關從電流I1偏置電流I2，也可採用其他裝置。例如，在各種實施方式中，電流源與可變電阻開關一起或電流源用來代替可變電阻開關以從電流I1偏置電流I2。
通過從電流I1偏置電流I2使得電流I2等於電流I2offset且電流I1等於電流I1offset，調節等式1中的不平衡常數k使其遠離0.5。此外，調節等於等式1中第一Vsupply-第二Vsupply的偏置電壓Voffset使其遠離0。因此，電流調制電路能利用，例如，偏置電壓Voffset、電流I1offset和電流I2offset的測量結果來計算電阻RC。這樣，在一些實施方式中，電流調制電路216使用偏置電壓Voffset、電流I1offset和電流 I2offset來確定帶電乙太網電纜206的電阻RC。
如圖2A和圖2B所示，電流調制電路216包括輸入244和246。輸入244通過PSE 202的輸出端218b而耦接至導電對222，並且輸入244通過PSE 202的輸出端218d而耦接至導電對226。因此，電流調制電路216可以利用輸入244來測量電流I1offset、利用輸入246來測量電流I2offset以及利用輸入244和246來測量偏置電壓Voffset。應瞭解的是，示出輸入244和246是為了展示電流調制電路216的測量能力。這樣，在本實施方式中輸入244和246使可忽略的電流減弱(sink)。
此外，在其他實施方式中，電流調制電路216單獨測量第一Vsupply和第二Vsupply並計算偏置電壓Voffset。在其他實施方式中，電流I1offset+電流I2offset是從單一導線上測得的。此外，第一Vsupply、第二Vsupply、電流I1offset以及電流I2offset中的至少一個可以用等式1進行估算、預先確定和/或計算。此外，應瞭解的是，等式1只是示例性的，其他適合的等式也可用於計算或不同地確定電阻RC。
更大的偏置電壓Voffset能夠確保更精確地計算電阻RC。然而，可能期望第一Vsupply和第二Vsupply保持在彼此的特定範圍內以確保PoE網路200正確運作。在一些實施方式中，電流調制電路216從電流I1偏置電流I2以在第二Vsupply和第一Vsupply之間產生偏置電壓Voffset，進而確定帶電乙太網電纜206的電阻RC，同時強制該偏置電壓Voffset低於最大值Vmax，Vmax是預定的最大值。
例如，在本實施方式中，電流調制電路216以遞增方式從電流I1偏置電流I2直至到達最大值Vmax。在一個實施 方式中，在每個增量，電流調制電路216獲得對應於偏置電壓Voffset的測量結果(或者，在其他實施方式中則獲得不同的測量結果，例如第二Vsupply和第一Vsupply中的至少一個)。電流調制電路216基於測量結果停止從電流I1遞增地偏置該電流I2，以產生偏置電壓Voffset。在一個實施方式中，最大值Vmax約0.5伏。應瞭解的是，電流調制電路216可以用上述測量結果之外的其他因素或用其他因素來代替上述測量結果以確定何時停止從電流I1偏置該電流I2。例如，在一些實施方式中，電流調制電路216也強制電流I2offset處於高於和/或低於預定值。圖2B示出了執行步驟174後的PoE網路200。
參考圖1中的步驟176和圖2B中的PoE網路200，流程圖100的步驟176包括用偏置電壓、第一電流和第二電流來確定帶電乙太網電纜的電阻。
例如，在本實施方式中，電流調制電路216用偏置電壓Voffset、電流I1和電流I2offset來確定帶電乙太網電纜206的電阻RC。為了確定帶電乙太網電纜206的電阻RC，電流調制電路216基於等式1來計算電阻RC。應瞭解的是，不同的等式可用於計算電阻RC。然後，電阻RC可用於，例如，確定PoE網路200中的電力損耗。
因此，如上所述，電流調制電路216從電流I1偏置電流I2以在第二Vsupply和第一Vsupply之間產生偏置電壓Voffset，進而確定帶電乙太網電纜206的電阻RC。通過測量偏置電壓Voffset、電流I1offset和電流I2offset，本發明的實施方式可以利用這些測量結果精確地確定電阻RC。
此外，如上所述，PSE 202通過帶電乙太網電纜206向 PD 204施加第一Vsupply和第二Vsupply。這樣，本公開的實施方式有利地在從PSE 202接收高功率的同時確定電阻RC。在PoE網路200中，電阻RC會隨著帶電乙太網電纜206的溫度變化而變化。與未傳輸電力相比，當傳輸電力時帶電乙太網電纜206的溫度通常會顯著增加，例如，這可能會使電阻RC的變化高達50%。這樣，由於PSE 201向PD 204傳輸電力時電流調制電路216能夠確定電阻RC，電阻RC可用於精確地確定PoE網路200運作期間的電力損耗。通過精確地確定電力損耗，PSE 202能夠在預算一個或多個PD之間的電力分配過程中顯示出較高的精確度。
根據以上的說明，表明在不脫離本發明描述的概念的範圍的情況下，各種技術可用於實施這些概念。另外，儘管已經具體參考某些實施方式對概念進行了說明，本領域普通技術人員應該明白，在不脫離這些概念的精神和範圍的情況下可以改變形式和細節。這樣，從各方面來講，所述實施方式只是示例性的，而不是限制性的。還應瞭解的是，本申請案不限於本文所述的具體實施方式，而是在不脫離本發明範圍的情況下還可能進行不同的重組、修改和替換。
100‧‧‧流程圖
200‧‧‧Poe網路
202‧‧‧PSE
204‧‧‧受電設備(PD)
206‧‧‧帶電乙太網電纜
208‧‧‧電源
210‧‧‧開關
212‧‧‧開關控制器
214‧‧‧可變電阻開關
216‧‧‧電流調制電路
218a‧‧‧輸出端
218b‧‧‧輸出端
218c‧‧‧輸出端
218d‧‧‧輸出端
220‧‧‧導電對
222‧‧‧導電對
224‧‧‧導電對
226‧‧‧導電對
228‧‧‧橋式整流器
230‧‧‧橋式整流器
232‧‧‧負載
234a‧‧‧輸入
234b‧‧‧輸入
236a‧‧‧整流正軌跡
236b‧‧‧整流負軌跡
238a‧‧‧輸入
238n‧‧‧輸入
240a‧‧‧整流正軌跡
240b‧‧‧整流負軌跡
圖1示出了根據本發明實施方式的用於確定帶電電纜(powered cable)電阻的方法的示例性流程圖。
圖2A示出了根據本發明實施方式的用於確定帶電電纜電阻的系統的示例圖。
圖2B示出了根據本發明實施方式的用於確定帶電電纜電阻的系統的示例圖。
本代表圖為流程圖，無元件標號。

Claims (10)

  1. 一種用於確定帶電電纜的電阻的供電設備，所述供電設備包括：使第一電流流經所述供電設備的第一和第二輸出端的第一電源電壓；使第二電流流經所述供電設備的第三和第四輸出端的第二電源電壓；以及從所述第一電流偏置所述第二電流以在所述第二電源電壓和所述第一電源電壓之間產生偏置電壓進而確定所述帶電電纜的所述電阻的電流調制電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之供電設備，其中，所述電流調制電路利用可變電阻開關從所述第一電流偏置所述第二電流以調節所述第二電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之供電設備，其中，所述可變電阻開關包括了導通電阻已被調節的至少一個電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之供電設備，其中，所述電流調制電路強制所述偏置電壓維持在低於預定的最大值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之供電設備，其中，所述供電設備通過所述帶電電纜將所述第一和第二電源電壓施加至受電設備。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之供電設備，其中，所述供電設備用於乙太網供電網路。
  7. 一種確定由乙太網供電網路中供電設備所用的帶電電纜 的電阻的方法，所述方法包括：施加第一電源電壓以使第一電流流經所述供電設備的第一和第二輸出端；施加第二電源電壓以使第二電流流經所述供電設備的第三和第四輸出端；以及從所述第一電流偏置所述第二電流以在所述第二電源電壓和所述第一電源電壓之間產生偏置電壓進而確定所述帶電電纜的所述電阻。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之確定帶電電纜的電阻的方法，其中，電流調制電路被配置為用所述偏置電壓、或者用所述第一電流和所述第二電流來確定所述帶電電纜的所述電阻。
  9. 一種用於確定帶電電纜的電阻的系統，所述系統包括：受電設備；供電設備，通過所述帶電電纜將第一電源電壓施加至所述受電設備並使第一電流流經所述帶電電纜中的第一和第二導電對；所述供電設備通過所述帶電電纜將第二電源電壓施加至所述受電設備並使第二電流流經所述帶電電纜中的第三和第四導電對；以及電流調制電路，從所述第一電流偏置所述第二電流以在所述第二電源電壓和所述第一電源電壓之間產生偏置電壓進而確定所述帶電電纜的所述電阻。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之用於確定帶電電纜的電阻的系統，其中，所述電流調制電路位於所述供電設備內。
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