TWI481212B - 單對雙向乙太網路之乙太網路供電 - Google Patents

Description

單對雙向乙太網路之乙太網路供電

本發明係有關於供電資料終端設備之領域，以及更具體而言，是有關於經由單對所構成之資料通信敷設纜線來提供電力。

乙太網路通信(亦稱為IEEE 802.3資料通信)通常透過一具有4絞線對之結構化電纜來達成。使用幻像供電(phantom powering)，將乙太網路供電(PoE)(如Institute of Electrical and Electronics Engineers,New York所發行之IEEE 802.3af-2003及IEEE 802.3at-2009所述)重疊在資料上，在此以提及方式併入每一文件之全部內容。尤其既有的乙太網路之資料變壓器係中心分接頭的(center-tapped)，因此經由該變壓器之兩個半部分的直流電流具有相同大小及相反方向，使得在變壓器鐵芯中沒有淨通量。

速度小於每秒1000兆位元之乙太網路通信通常透過2絞線對來傳送，該等絞線對中之一對係用以做為一從集線器設備(hub equipment)至資料終端設備(data terminal equipment)(DTE)之傳輸對(當以PoE來供電時，該資料終端設備稱為一用電裝置(PD))，而該等絞線對中之第二對係用以做為一從該資料終端設備至該集線器設備之傳輸對。其它兩對通常不使用而稱為備用對。為了簡化，術語傳輸(transmit)通常縮寫成TX及術語接收(receive)通常縮寫成RX。在這樣的具體例 中，可以實施備用供電或資料對供電。

依據上述標準，圖1A繪示使用幻像供電從一交換器/集線器設備30供電給一PD之配置10的高層次方塊圖。配置10包括：交換器/集線器設備30，其包括第一及第二資料對20、一供電設備(PSE)40與第一及第二資料變壓器50；四絞線對資料接線60，其構成於單一結構化電纜65中；以及一用電終端站70，其包括第一及第二資料變壓器55、第一及第二資料對25與一PD 80。用電終端站70亦稱為DTE。

該第一及第二資料變壓器50之每一者的一次側耦接至個別資料對20。PSE 40之輸出及回線分別連接至第一及第二資料變壓器50之二次側的中心分接頭。第一及第二資料變壓器50之二次側的輸出引線分別連接至結構化電纜65之第一及第二絞線對資料接線60的第一端。第一及第二絞線對資料接線60之第二端分別連接至位於用電終端站70內之第一及第二資料變壓器55的二次側。第一及第二變壓器55之每一者的二次側之中心分接頭連接至PD 80之一個別輸入。結構化電纜65之第三及第四絞線對資料接線60連接至PD 80之個別輸入，以便在熟習該項技藝者所知之一替代供電方案中使用。在另一具體例中，如下面所進一步描述，第三及第四絞線對資料接線60進一步攜載資料。第一及第二資料對25耦接至第一及第二資料變壓器55之每一者的一次繞組及代表在用電終端站70(特別是PD 80)與交換器/集線器設備30間在一相關絞線對資料接線60上提供之每一方向傳輸之資料。

在操作時，PSE 40透過第一及第二絞線對資料接線60供應電力，因而透過第一及第二絞線對資料接線60供應電力及資料至 PD 80。如上所述，因為經由該等個別變壓器50、55之中心分接頭傳輸及接收電力，所以直流通量(DC flux)並未回應來自PSE 40之電力而在該等個別變壓器50、55中建立。

對於1000Mbps之速度(亦稱為Gigabit乙太網路)，所有4絞線對均用於資料通信，且該等4絞線對之每一對皆提供雙向通信。因此，在該集線器設備及在該DTE端，一發射器及一接收器均耦接至每一絞線對。圖1B之配置100描述這樣的配置。除了使資料對20經由個別變壓器50耦接至4絞線對資料接線60之每一者、以及同樣地使4資料對25經由個別變壓器55耦接至個別絞線對資料接線60外，配置100在所有方面與配置10相似。如上所述，資料對20、25之每一者經實施成為以下進一步描述之雙向發射器/接收器對，以回應一個別混合電路(hybrid circuit)。

圖2繪示一習知技藝所知之配置100的高層次方塊圖，其透過每一絞線對資料接線60提供雙向通信。在每一端提供一發射器110、一接收器120及一混合電路130。使每一發射器110之輸出(包括一差動對)耦接至該個別混合電路130之一個別差動輸入，以及使每一接收器120之輸入(包括一差動對)連接至該個別混合電路130之一個別差動輸出。使在集線器側之混合電路130的一雙向埠(包括一差動對)耦接至變壓器50之一次繞組及呈現資料對20，以及使在PD側之混合電路130的一雙向埠(包括一差動對)耦接至變壓器55之一次繞組及呈現資料對25。使變壓器50之二次繞組耦接至一個別絞線對資料接線60之第一端，以及使變壓器55之二次繞組耦接至該個別絞線對資料接線60之第二端。

每一混合電路130係配置用以將該耦接發射器110所傳 送之資料導向絞線對資料接線60而遠離該耦接接收器120。如熟習該項技藝者所知，可以電性或磁性來實施混合電路120，但是通常實施電子混合電路。

圖2之配置因而在該絞線對資料接線60之每一者上提供雙向通信。透過單對之資料通信而排除4絞線對之結構化電纜的需求在使用配置100下係可行、已在市場上被實施、且通常稱為單對乙太網路。

不利的是，當使用於單對乙太網路時，圖2之配置沒有透過將導致沒有淨通量之絞線對資料接線60提供複數個供電路徑。在單絞線對的情況下尤其如此，因為必須透過絞線對資料接線60之只有2條電線來提供電力及回線路徑。

在2011年10月25日頒發給Yu等人之發明名稱為“Capacitor Coupled Ethernet”的美國專利序號第8,044,747號提供一種能透過單導體對之電力施加的系統及方法，在此以引用方式併入該美國專利的全部內容。在一具體例中，使用一個或一個以上之用以維持一交流路徑的直流(DC)阻隔元件，使資料變壓器耦接至單導體對。將電力注入至在該等直流阻隔元件後面之單導體對，以及從在該等直流阻隔元件前面之單導體對擷取電力。不利的是，這樣的解決方案在偵測元件前面之資料路徑中放置一個或一個以上直流阻隔元件，此可能造成信號退化(signal degradation)。

於是，本發明之一主要目的係要克服該習知技藝之至少一些缺點。在某些具體例中以一磁基混合電路(magnetics based hybrid circuit)來克服，該磁基混合電路包括一接收器側變壓器及一發射器側 變壓器。經由耦接至該接收器側變壓器及該發射器側變壓器之個別第一端的個別電感性元件來供應電力。在該接收器側一次繞組之第二端與該發射器側一次繞組之第二端間以串聯方式進一步提供一直流阻隔元件。

根據以下的圖及說明，本發明另外之特徵及優點將變得顯而易見。

10‧‧‧配置

20‧‧‧資料對

25‧‧‧資料對

30‧‧‧交換器/集線器設備

40‧‧‧供電設備

50‧‧‧第一及第二資料變壓器

55‧‧‧第一及第二資料變壓器

60‧‧‧絞線對資料接線

65‧‧‧單一結構化電纜

70‧‧‧用電終端站

80‧‧‧PD

100‧‧‧配置

110‧‧‧發射器

120‧‧‧接收器

130‧‧‧混合電路

200‧‧‧配置

210‧‧‧組合直流阻隔及混合電路

220‧‧‧電感性元件

240‧‧‧PD

250‧‧‧變壓器

252‧‧‧一次繞組

254‧‧‧二次繞組

260‧‧‧電阻器

270‧‧‧直流阻隔電容器

為了對本發明有更佳的了解，並顯示如何可以實施本發明，現在將單純以例示方式參考所附圖式，其中相似符號表示所有對應元件或部分。

現在特別詳細參考圖式，強調特點係經由實例來表示且只是為了本發明之較佳具體例的說明討論用，以及因提供相信是最有用且可輕易了解本發明之原理及概念態樣的說明而呈現出該等特點。有鑑於此，沒有試圖要比對本發明之基本了解所需更詳細來顯示本發明之結構細節，伴隨該等圖式之敘述使熟習該項技藝者明顯知道如何可以具體實施本發明之數個形式。在該等所附圖式中：圖1A描述依據該習知技藝之一使用幻像供電從一交換器/集線器設備供電給一PD之配置的高層次方塊圖；圖1B描述依據該習知技藝之一使用適用於Gigabit乙太網路之幻像供電從一交換器/集線器設備供電給一PD之配置的高層次方塊圖；圖2描述依據該習知技藝之一用以透過每一絞線資料對接線提供雙向通信之配置的高層次方塊圖；以及圖3描述一透過單絞線對資料接線提供雙向資料通信及 供電之例示性配置的高層次示意圖。

在詳細說明本發明之至少一具體例前，應理解本發明之應用並非侷限於以下說明所述或該等圖式中所示的構造之細部及組件之配置。本發明可應用至其它具體例或以不同方式來實施。並且，應理解在此所使用之措辭及術語是為了敘述之用而不應被視為限制。術語繞組特別意指一導電線繞組，以構成一電感器。該繞組可以構成一獨立電感器，或者磁耦合至另一繞組，以構成一變壓器。

圖3繪示一透過單絞線對資料接線60提供雙向資料通信及供電之例示性配置200的高層次示意圖。配置200包括：一PSE 40；一絞線對資料接線60；一第一發射器110；一第一接收器120；一第一組合直流阻隔及混合電路210；一第一電感性元件220；一第二電感性元件220；一PD 240；一第二發射器110；一第二接收器120；一第二組合直流阻隔及混合電路210；一第三電感性元件220；以及一第四電感性元件220。第一及第二組合直流阻隔及混合電路210之每一者包括第一及第二變壓器250、第一、第二及第三電阻器260以及一直流阻隔電容器270。每一變壓器250包括第一及第二一次繞組252及第一及第二二次繞組254，其配置在一共用鐵芯周圍且互相磁耦合。

為便於了解，每一變壓器250被描述成主要具有第一及第二一次繞組252。應理解可以將第一及第二一次繞組252結合成單一次繞組252而沒有限制。

第一發射器110之差動輸出的第一引線經由第一組合直流阻隔及混合電路210之第一電阻器260連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一一次繞組252之第一端(以黑點 來表示其極性)。第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一一次繞組252之第二端連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二一次繞組252之第二端連接至第一發射器110之差動輸出的第二引線。

第一接收器120之差動輸入的第一引線連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一一次繞組252之第二端連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二一次繞組252之第二端連接至第一接收器120之差動輸入的第二引線。使第一組合直流阻隔及混合電路210之第二電阻器260連接橫跨於第一接收器120之差動輸入。

第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第三電阻器260的第一端。第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一二次繞組254之第二端連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)。第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一二次繞組254之第二端連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第二電阻器260的第二端。

第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)經由直流阻隔電容 器270連接至第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)。第一組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二二次繞組254之第二端經由第一電感性元件220連接至PSE 40之第一輸出(PSE 40之第一輸出以正輸出來表示係為清楚起見而非限制)及連接至絞線對資料接線60之第一電線的第一端。第一組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二二次繞組254之第二端經由第二電感性元件220連接至PSE 40之第二輸出(PSE 40之第二輸出以回線來表示係為清楚起見而非限制)及連接至絞線對資料接線60之第二電線的第一端。尤其將顯而易見的是，第一組合直流阻隔及混合電路210係與極性無關。

第二發射器110之差動輸出的第一引線經由第二組合直流阻隔及混合電路210之第一電阻器260連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一一次繞組252之第二端連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二一次繞組252之第二端連接至第二發射器110之差動輸出的第二引線。

第二接收器120之差動輸入的第一引線連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一一次繞組252之第二端連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二一次繞組252之第一端(以黑點來表示其極性)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250 的第二一次繞組252之第二端連接至第二接收器120之差動輸入的第二引線。第二組合直流阻隔及混合電路210之第二電阻器260係連接橫跨第二接收器120之差動輸入。

第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第三電阻器260的第一端。第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第一二次繞組254之第二端連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第一二次繞組254之第二端連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第三電阻器260的第二端。

第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)經由直流阻隔電容器270連接至第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二二次繞組254之第一端(以黑點來表示其極性)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第一變壓器250的第二二次繞組254之第二端連接至絞線對資料接線60之第一電線的第二端及經由第三電感性元件220連接至PD 240之第一輸入(PD 40之第一輸入以正輸入來表示係為清楚起見而非限制)。第二組合直流阻隔及混合電路210之第二變壓器250的第二二次繞組254之第二端連接至絞線對資料接線60之第二電線的第二端及經由第四電感性元件220連接至PD 240之第二輸入(PD 40之第二輸入以回線來表示係為清楚起見而非限制)。

在一具體例中，第一、第二、第三及第四電感性元件220之每一者係由一獨立電感器所構成。在另一具體例中，第一、第二、 第三及第四電感性元件220之每一者係由在資料頻率時提供高交流電阻值來取代電抗值之鐵氧體珠(ferrite beads)所構成。在一特別具體例中，第一、第二、第三及第四電感性元件220之鐵氧體珠係由在高頻時提供歐姆電阻值之鎳鋅所構成，因此沒有呈現相位的改變。在又另一具體例中，第一及第二電感性元件220係由配置用以對在單絞線對資料接線60上所出現之差動信號提供阻抗之在單鐵芯上的一對繞組所構成。此外，或任選地，第三及第四電感性元件220同樣是由配置用以對在單絞線對資料接線60上所出現之差動信號提供阻抗之在單鐵芯上的一對繞組所構成。較佳地，使該個別組合直流阻隔及混合電路210之第一、第二及第三電阻器260的每一者相配，以提供阻抗匹配。選擇直流阻隔電容器270係用以傳送資料傳輸之頻率而沒有顯著阻抗。

在操作時，每一組合直流阻隔及混合電路210提供直流阻隔及回波(echo)消除。為清楚起見，將詳述第一組合直流阻隔及混合電路210之操作，熟習該項技藝者應理解相同說明可應用至第二組合直流阻隔及混合電路210。在第一發射器110作動之情況下，該差動信號產生一通過第一變壓器250之第一繞組252的電流，而該電流被反映(mirrored)於第一變壓器250之第二繞組254中。由於經由第三電阻器260之交叉連接，回應來自第一發射器110之差動信號的通過第二變壓器250之第一繞組252的電流抵消從第二組合直流阻隔及混合電路210經由絞線對資料接線60所反射回來之信號的電流。進一步詳言之，第一接收器120回應經由第二變壓器250之第一及第二一次繞組252及第一二次繞組254所接收之第一發射器110的輸出所經歷之電流的極性係與第一接收器120回應經由絞線對資料接線60所接收且經由第二變壓器250之第二二次繞組254反射至接收器120之反射信號所 經歷之電流的極性成180°反相。直流阻隔電容器270防止PSE 40所注入之電流的短路。電感性元件220防止PSE 40對橫越絞線對資料接線60之資料信號顯示為一電容性負載。

同樣地，透過絞線對資料接線60接收之來自第二發射器110的差動信號所造成之電流產生通過第一及第二變壓器250之第二繞組254的電流，而該電流被反映於第一繞組252中。由於經由第三電阻器260之交叉連接，從第一接收器120經歷之電流所反射回來之電流抵消第一發射器110所經歷之通過第一變壓器250的第一繞組252的電流。進一步詳言之，第一發射器110回應經由絞線對資料接線60接收之電流所經歷之電流的極性係與第一發射器110所經歷之因該交叉連接所反射之電流成180°反相。

在沒有直流阻隔電容器270之情況下(其如上所述並不影響關於高頻信號之操作)，組合直流阻隔及混合電路210之操作係熟習該項技藝者所已知的。

關於PD 240，從二次繞組254之第二端接收電力，以及電感性元件220防止PD 240對橫越絞線對資料接線60之資料信號顯示為一電容性負載。PD 240通常包括一二極體電橋輸入電路，其從而提供上述之對極性的不敏感；以及一低電壓閉鎖電路(under voltage lockout circuit)，其用以防止任何負載電路之啟動，直到横跨PD 240之輸入引線出現足夠的電壓為止。這樣的PD 240係熟習該項技藝者所已知，且為了簡潔對此不再進一步詳述。

可意識到的是，在單一具體例中亦可以組合方式提供在個別具體例之上下文中所清楚描述之本發明的某些特徵。相反地，亦可以分別或以任何合適次組合方式提供在單一具體例之上下文中所簡 潔描述之本發明的各種特徵。

除非另外界定，在此所使用之所有技術及科學術語具有相同於本發明所屬技藝之一般人士所通常了解之意義。雖然可在本發明之實施或測試中使用相似或同等於在此所述之方法，但在此只描述合適的方法。

在此所提及之所有刊物、專利申請案、專利及其它參考資料均以引用方式併入其全部內容。若有牴觸，將以本專利說明書(包含定義)為主。此外，材料、方法及範例只是描述用而並非意欲作為限制。

熟習該項技藝者應察覺本發明並非侷限於上面所特別顯示及描述者。更確切地說，本發明之範疇以所附請求項來界定，且包括上面所述之各種特徵的組合及次組合以及熟習該項技藝者在讀取先前敘述時會想到且不在該習知技藝中之變更及修改。

40‧‧‧供電設備

60‧‧‧絞線對資料接線

110‧‧‧發射器

120‧‧‧接收器

200‧‧‧配置

210‧‧‧組合直流阻隔及混合電路

220‧‧‧電感性元件

240‧‧‧PD

250‧‧‧變壓器

252‧‧‧一次繞組

254‧‧‧二次繞組

260‧‧‧電阻器

270‧‧‧直流阻隔電容器

Claims (5)

1. 一種透過單資料對提供電力之電路，包括：一第一電感性元件；一第二電感性元件；一第一變壓器，該第一變壓器具有一一次繞組、一第一二次繞組及一第二二次繞組，該第一變壓器之一次繞組、第一二次繞組及第二二次繞組互相磁耦合，該第一變壓器之一次繞組以及第一及第二二次繞組之每一者具有一第一端及一第二端；一第二變壓器，該第二變壓器具有一一次繞組、一第一二次繞組及一第二二次繞組，該第二變壓器之一次繞組、第一二次繞組及第二二次繞組互相磁耦合，該第二變壓器之一次繞組以及第一及第二二次繞組之每一者具有一第一端及一第二端；一直流(DC)阻隔元件，其中，該第一變壓器之一次繞組的第一端係配置用以接收一傳輸差動信號之第一極性及該第一變壓器之一次繞組的第二端係配置用以接收該傳輸差動信號之第二極性，該第二極性相反於該第一極性，該第一變壓器之第一二次繞組的第一端耦接至該第二變壓器之第一二次繞組的第二端，該第一變壓器之第一二次繞組的第二端耦接至該第二變壓器之第一二次繞組的第一端，該第一變壓器之第二二次繞組的第一端經由該直流阻隔元件耦接至該第二變壓器之第二二次繞組的第一端，該第一變壓器之第二二次繞組的第二端經由該第一電感性元件耦接至一供電設備及一用電設備中之一的第一引線且進一步配置成耦接至一絞線對資料接線之第一引線的第一端，該第二變壓器之第二二次繞組的第二端經由該第 二電感性元件耦接至該供電設備及該用電設備中之該設備的第二引線且進一步配置成耦接至該絞線對資料接線之第二引線的第一端，及以一極性連接該第一變壓器及該第二變壓器，以便將進入該第一變壓器之一次繞組的第一端之電流以一相反於一經由該絞線對資料接線反射之信號的極性經由該第一變壓器之第一二次繞組及該第二變壓器之第一二次繞組反射進入該第二變壓器之一次繞組的第一端。
2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該第二變壓器之一次繞組的第一端係配置用以提供一第一極性之接收輸入至一接收器，以及該第二變壓器之一次繞組的第二端係配置用以提供一第二極性之接收輸入至該接收器，該第二極性相反於該第一極性。
3. 如申請專利範圍第1或2項之電路，其中，該第一電感性元件及該第二電感性元件中之至少一者係鐵氧體珠。
4. 如申請專利範圍第3項之電路，其中，該等鐵氧體珠係由鎳鋅所構成且在與該傳輸差動信號相關聯之資料傳輸頻率下呈現一歐姆電阻。
5. 如申請專利範圍第1或2項之電路，其中，該第一電感性元件與該第二電感性元件磁耦合成為一變壓器。