TWI512301B

TWI512301B - 電源設備及其供電方法

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Publication number: TWI512301B
Application number: TW102127527A
Authority: TW
Inventors: Wael William Diab
Original assignee: Broadcom Corp
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-12-11
Also published as: US20140040641A1; TW201413256A; EP2693688A1; KR101528574B1; EP2693688B1; KR20140018108A; CN103595544A

Description

電源設備及其供電方法

本發明總體上涉及網路供電系統和方法，且更具體地，涉及在包括用於乙太網供電傳輸的配線對的通道之間進行的電纜不平衡診斷。

乙太網供電(PoE)提供了一種用於通過乙太網電纜將電力從電源設備(PSE)傳輸到電力裝置(PD)的架構。存在各種類型的PD，包括IP語音(VoIP)電話、無線LAN接入點、藍芽接入點、網路攝像機、計算裝置等。

在諸如在IEEE 802.3af和802.3at(現為IEEE 802.3修訂版及其修改的一部分)中所描述PoE應用中，PSE可通過在乙太網電纜內的四個配線對中的兩個將高達25.5W的功率傳輸給PD。

本發明提供了一種方法，包括：測量包括網路電纜內的四個雙絞線對中的第一個的第一通道的一個或多個特性、以及包括所述四個雙絞線對中的第二個的第二通道的一個或多個特性，其中，所述四個雙絞線對被用於將電力從電源設備傳送到電力裝置；由所述電源設備確定所述第一通道的所測量的一個或多個特性和所述第二通道的所測量的一個或多個特性是否表示所述第一通道與所述第二通道之間的不平衡；以及響應於所述確定，調節所述電源設備在將電力傳送到所述電力裝置時的操作。

上述方法中，所述測量包括測量所述第一通道和所述第二通道的阻抗。

上述方法中，所述確定包括確定所述第一通道與所述第二通道之間的阻抗的差。

上述方法中，所述不平衡是電感或電容不平衡。

上述方法還包括生成報告所確定的不平衡的消息。

上述方法中，所述調節包括補償所述不平衡。

上述方法中，所述調節包括將所述電源設備的操作限定為通過兩個配線對將電力傳送到所述電力裝置。

上述方法中，所述測量包括測量所述第一通道內的磁性元件的一個或多個特性。

上述方法中，所述測量包括測量所述第一通道內的連接器的一個或多個特性。

上述方法中，所述測量包括測量與所述網路電纜不同的插線電纜的一個或多個特性。

上述方法中，所述測量包括使用物理層裝置進行測量。

上述方法中，所述測量包括使用電源設備進行測量。

上述方法中，所述測量包括確定所述網路電纜的乙太網電纜的分類類型。

本發明提供了一種電源設備，包括：端口，用於經由網路電纜內的四個雙絞線對將電力傳送到電力裝置；以及控制器，被配置為接收基於包括網路電纜內的所述四個雙絞線對中的第一個的第一通道的一個或多個特性以及包括所述四個雙絞線對中的第二個的第二通道的一個或多個特性的測量的診斷訊息，確定所接收的診斷訊息是否表示所述第一通道與所述第二通道之間的不平衡，以及響應於所述確定，調節所述電源設備在將電力傳送到所述電力裝置時的操作。

上述電源設備中，所述測量是阻抗測量。

上述電源設備中，所述控制器被配置為生成報告所確定的不平衡的消息。

上述電源設備中，所述控制器被配置為補償所述不平衡。

上述電源設備中，所述控制器被配置為將所述電源設備的操作限定為通過兩個配線對將電力傳送到所述電力裝置。

110‧‧‧PSE

114‧‧‧控制器

120‧‧‧PD

122‧‧‧PoE模組

124‧‧‧控制器

126‧‧‧功率二極體

130‧‧‧網路電纜

140‧‧‧插線電纜

210‧‧‧PSE

220‧‧‧PD

R1‧‧‧電阻

R2‧‧‧電阻

R3‧‧‧電阻

R4‧‧‧電阻

410A、410B‧‧‧PSE

420‧‧‧PD

502‧‧‧步驟

504‧‧‧步驟

506‧‧‧步驟

610‧‧‧PHY

614‧‧‧診斷模組

612‧‧‧收發器

616‧‧‧控制器

620‧‧‧PSE

為描述可獲得本發明的上述和其他優勢和特徵的方式，將參照在附圖中示出的其具體實施方式來給出如上簡要描述的本發明的更具體的描述。應理解這些附圖僅描述了本發明的典型實施方式且並不因此被視為限制其範圍，通過使用附圖將更具體和詳細地描述和說明本發明，其中：圖1示出了在電源設備與電力裝置之間的鏈路的一個實例；圖2示出了經由四個配線對將電力從電源設備傳輸到電力裝置的第一實例；圖3示出了經由四個配線對將電力從電源設備傳輸到電力裝置的一個實例性電路；圖4示出了經由四個配線對將電力從電源設備傳輸到電力裝置的第二實例；圖5示出了根據本發明的實例性處理的流程圖；以及圖6示出了根據本發明的被配置為進行診斷的PHY的一種實施方式的一個實例。

以下詳細討論本發明的各種實施方式。儘管討論了具體實現方式，但應理解，這樣做僅是為了進行說明的目的。相關領域技術人員將認識到，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，可使用其他元件和配置。

乙太網供電(PoE)可被用於經由雙絞線對乙太網電纜將電力從電源設備(PSE)傳輸到電力裝置(PD)。在四對PoE系統中，可能在兩個不同的配線對之間發生不平衡。由這種不平衡造成的一個問題在於，用於經由一組平行的配線對傳輸電力的路徑的有效電阻增大。由於現在更大一部分的功率預算由電纜本身的損耗造成，所以用於傳輸電力的路徑的有效電阻的這種增大可能造成電力傳輸無效率。在本發明中，認為基於電纜本身、連接性(例如，跳線、配線架、連接器等，用於結構性布線)、磁性元件、印刷電路板(PCB)跡線、或作為用於經由網路傳輸電力的通道的一部分的任何其他部件的特性，可能造成失配。

在一種實施方式中，執行測量包括在網路電纜內的四個雙絞線對中的第一個的第一通道的一個或多個特性，同時測量包括在網路電纜內的四個雙絞線對中的第二個的第二通道的一個或多個特性。隨後，可確定第一通道的所測量的一個或多個特性和第二通道的所測量的一個或多個特性是否表示在第一通道和第二通道之間的不平衡。隨後，可響應於所述確定進行調節，諸如隔離、報告或補償。如上所述，所測量的通道的特定特性可包括網路電纜、連接器、跳線、磁性元件、PCB跡線等的一個或多個特性。

本發明的原理不限於線對之間的不平衡。在其他實施方式中，在單個配線對內可測量這些不平衡。通常，本發明的原理針對在用於將電力傳輸給PD的通道內可能產生的任何不平衡。

圖1示出了用於經由網路將電力提供給PD的鏈路的一個實例。在該所示出的實例中，本發明的原理提供了一種處理，該處理可被並入PSE 110和PD 120中的一個或多個內，以識別和響應通道不平衡。在一種實施方式中，PSE 110為中跨PSE。

在各種環境下，可能出現通道不平衡，在這些環境下，網路供電的理論框架被應用於實際網路應用中，在這些應用中，遇到不太理想的元件和安裝。雖然具有這些網路缺陷，但通過適當的診斷和正確的測量，依然可實現網路電力的有效傳輸。在未實現適當的診斷和正確的測量的情況下，網路性能將不必要地受損，從而提高了管理網路的總成本。

如圖1中所示，PSE 110可經由包括多個鏈路分段的鏈路被連接至PD 120。這些多個鏈路分段包括一個或多個插線電纜(patch cable)140以及網路電纜130。通常，額外的鏈路分段將決定使用額外的連接器和/或磁性元件。

在各種實施方式中，可使用插線電纜140來有助於經由交叉連接系統、壁裝電源插座等有組織地傳輸電力和進行通訊。插線電纜140和網路電纜130也沿著鏈路的長度耦接至各種連接器。儘管增加了多個插線電纜和連接器以用於提供網路服務的結構性部署，但在通道內的部件的數量增大用於為要發生的通道不平衡製造了額外的機會。在本發明中，認為應利用增加的診斷來滿足提高的結構性電纜系統的複雜度，以根除增加的網路缺陷的實例。

在圖1的PoE安裝中，PD 120可包括PoE模組122，該PoE模組122包括電子設備，這些電子設備將能使PD 120根據PoE規範(諸如IEEE 802.3af、802.3at)、傳統PoE傳輸或任何其他類型的PoE傳輸來與PSE 110進行通訊。PD 120也包括控制器124(例如，脈寬調製DC：DC控制器)，該控制器控制功率二極體126，該二極體反過來為負載提供恒定功率。另一方面，PSE 110包括一個或多個電源(未示出)和控制器114，該控制器114有利於PD 120進行檢測、分類、供電、斷開等以及對通道不平衡進行診斷和相應的響應。

在一個實例中，四對PoE電源被用於將更高的功率電平(例如，大於15.4W)從PSE傳輸到PD。在該實例中，網路電纜以及任何插線電纜內的這四個配線對中的每一個被用於將電力從PSE傳輸到PD。圖2示出了經由包括在四個通道內的四個配線對將電力從PSE 210傳輸到PD 220的第一實例。如圖所示，單個PSE 210經由通道1-4將電力傳輸給PD 220。通過在耦接至通道1和2的數據變壓器和耦接至通道3和4的數據變壓器的中心抽頭上施加電壓來提供由PSE 210傳輸給PD 220的電力。在網路鏈路的另一端，由PD 220通過數據變壓器的中心抽頭接收電力。在本文中，應注意，每個通道旨在表示端對端鏈路，並將包括分別在PSE和PD處的電力插入和提取點之間的所有元件(例如，網路電纜、插線電纜、連接器、磁性元件等)。

在圖3中示出了將電力從PSE 210傳輸到PD 220的這種場景的有效電路，其中，R1表示包括配線對1的第一通道的電阻，R2表示包括配線對2的第二通道的電阻，R3表示包括配線對3的第三通道的電阻，以及R4表示包括配線對4的第四通道的電阻。更一般地，本發明的原理可被應用於具有電容和電感不平衡的鏈路。這裡，等效電感和電容不平衡可能由通道造成，如所限定的端對端或任何相關寄生效應。在一個實例中，由於變壓器的繞組的差異，可能造成不平衡。

在該背景下，再次認為，在包括網路電纜的不同配線對的通道之間的任何不平衡均可能在電力傳輸中導致低效率。在下一代PoE系統中考慮傳輸更高的功率電平時，尤其如此。具體地，四對PoE系統受到在包括配線對的不同通道之間的不平衡的影響，這是因為這些系統被設計為用於傳輸明顯高於兩對PoE系統的功率電平。

在圖3的背景下，可以看出，包括配線對的通道的電阻的不平衡可能造成低效的電力傳輸。在一個簡單的實例中，考慮以下場景：電阻R1和R2大致等於10Ω(即，大致100米的第三類電纜)。與R2並聯的R1的有效電阻將因此為(10Ω * 10Ω)/(10Ω+10Ω)=5Ω。若R1和R2不平衡，使得R1=15Ω和R2=10Ω，則與R2並聯的R1的有效電阻將因此為(15Ω * 10Ω)/(15Ω+10Ω)=6Ω。由於這個差值可乘以2來表示圖3的整個電路，所以有效不平衡將為10Ω對12Ω。將理解，由不平衡產生的電阻增大20%在傳輸電力時，可能產生明顯的低效率。

例如，考慮通過網路電纜傳輸700mA的電力。在該實例中，由於通道不平衡造成的額外2Ω的電阻引起的功率損耗將是功率損耗(PL)=i² R=(700mA)² * 2Ω=0.98W。在本質上且自然地，由通道不平衡引起的額外0.98W的功率損耗可能看似不明顯。對於20W的PD，由通道不平衡可引起的功率損耗表示由PD所消耗的功率的5%。對於電纜本身，與通道的4.9W的理想功率損耗相比，由不平衡產生的電阻的另外增大的20%在該通道內產生5.9W的功率損耗。在本發明中，認為在大量PSE端口的百分比之間相乘時，通道平衡低效率的影響變得更加明顯。

儘管由在不平衡的通道內的額外功率損耗造成低效率，但在一個通道上增大的電阻也可造成該通道上的熱量增加。僅在當前電平增大時，在通道內的熱量將增大。在電纜接近或超過溫度額定值時，通道熱量的不必要的增加也可能影響數據通訊。在企業安裝中的一束電纜上，這種溫度影響也將在這組電纜上累積。更具體地，在一束電纜中增加的熱量可轉化成減少可供電的端口的總體子組和/或減少保持熱量較低的所有端口的最大操作電流(即，功能性降低)。不能低估通道不平衡的影響。

圖4示出了經由四個配線對將電力從PSE傳輸到PD的另一個實例。如圖所示，兩個PSE 410A、410B經由包括配線對1-4的四個通道將電力傳輸給PD 420。在一個實例中，兩個PSE為單個PD供電，其中，在PD處發生電流共享。在另一個實例中，這兩個PSE可表示為一個PD供電的一個邏輯PSE的實現方式，其中，在PD處和/或在PSE處發生電流共享。在又一實例中，可存在“結合端口”，其中，兩個PSE為兩個PD供電，其中，兩個PD包括在單個裝置內。在一種情況下，這兩個PSE可位於一個邏輯PHY端口或兩個端口的一部分上(例如，在每個1000BASE-T通道上具有兩對)。

通常，這些和其他變化的影響在於，由於具有不平衡，與通道的一個支路相比，可穿過通道的另一支路推動更多的電力。除了電流限制，其他效應還包括電力傳輸的效率更低、額外生成熱量、在增加額外複雜性的PD和/或PSE處需要更複雜的電流共享電路、電壓降受到通道內有效電阻的影響時在PD處的電壓的影響、在元件(例如，磁性元件、FET和/或供電電路)內額外生成熱量等。這些不同效應的影響使設備和通道隨時間加速退化。

通過在與通道1和4耦接的數據變壓器的中心抽頭上施加電壓來提供由PSE 410A傳輸給PD 420的電力，同時通過在與通道2和3耦接的數據變壓器的中心抽頭上施加電壓來提供由PSE 410B傳輸給PD 420的電力。此外，應注意，每個通道旨在表示端對端鏈路，且將分別在PSE和PD處的電力插入和提取點之間包括所有元件(例如，網路電纜、插線電纜、連接器、磁性元件等)。在該實例中，在這兩個PSE之間的僅幾歐姆的系統電阻失配可影響由這兩個PSE提供的電流。這裡，由這兩個PSE造成的電流偏移可將一個PSE置於電流限制內，這可能在該端口上造成關閉。

通常，在考慮為多個PD供電的累積效應時，在PSE之間產生的不平衡將影響操作不同電源的效率。理想地，每個電源以幾乎峰值容量運行，以能使電源有效地進行操作。基於具有缺陷的供應假設，在由單獨的電源傳輸的功率量存在顯著改變時，由這組電源進行功率傳輸的效率將相應地下降，從而造成管理成本增大。

如上所述，在包括網路電纜的配線對、插線電纜的配線對、連接器、磁性元件、PCB跡線等的通道內由失配造成的不平衡可通過各種方式影響PoE系統的性能。因此，本發明的一個特徵在於，可提供在用於進行乙太網供電傳輸的通道之間的電纜不平衡診斷，以識別和潛在地校正這種不平衡。

為示出本發明的各種特徵，參照圖5的流程圖，該圖示出了本發明的處理。如圖所示，該處理在步驟502處開始，其中，測量包括第一配線對的第一通道和包括第二配線對的第二通道的一個或多個特性。在一種實施方式中，可由在物理層裝置(PHY)內的診斷模組進行測量(例如，時域反射儀、插入損耗、串擾等)。通常，可將這些測量值映射到通道的一個或多個特性中。

圖6示出了根據本發明的被配置為進行診斷的PHY的一種實施方式的一個實例。如圖所示，在PHY 610內的收發器612經由一組數據變壓器耦接至配線對1和配線對2。PSE 620被示出為耦接至這組數據變壓器的中心抽頭，以經由配線對1和配線對2將電力傳輸給PD。這組配置與在圖2的四對供電場景中所示的配置相似。可理解，PHY 610將耦接至與在根據通訊標準(諸如10GBASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T、10GBASE-T、40GBASE-T)和任何將來的速度(諸如100G、400G等)的鏈路夥伴內的PHY進行通訊的四個配線對。為簡單起見，PHY 610被示出為僅耦接至配線對1和配線對2。在操作時，在控制器616的控制下，診斷模組614可被配置為分別在包括配線對1和配線對2的通道之間進行相對診斷。通常，測量可以是單端測量或雙端測量。更多測量點的存在產生更精確的結果。也可在端口之間共享一些基線測量。

在一種實施方式中，診斷模組614可被設計為測量能實現確定第一通道的阻抗的一個或多個特性。例如，診斷模組614可被設計為在不同的通道內測量表示電纜類型、電纜長度、溫度、連接器的數量等的一個或多個特性。

在另一實施方式中，可由PoE系統(即，PSE和/或PD)測量一個或多個特性。例如，PoE系統可在PoE處理(例如，檢測前、檢測後、供電前、供電後等)的各個點處進行電流-電壓(I-V)測量，以開發不同通道的特性。在另一實例中，在經由協議(諸如鏈路層發現協議(LLDP))在鏈路上傳送測量數據時，PSE和 PD可在該處理中協作。

基於所述一個或多個特性的測量值，隨後，PoE系統可在步驟504處確定不同通道之間是否存在不平衡。在一種實施方式中，該一個或多個測量值被用於計算或者確定不同通道的阻抗。因此，不同通道阻抗的比較可提供失配或不平衡的等級的表示。在一種實施方式中，參照列表數據，可使用一個或多個測量值來推斷出失配或不平衡的存在。例如，直接測量值或在測量值之間的差值可與列表參考數據相比，以確定是否已超過閾值差值。在另一實施方式中，一個或多個測量值可被應用於算法參考數據中，以推斷出存在失配。例如，通過定義的不平衡公式，可處理直接測量值或測量值之間的差值，以確定是否已超過閾值差值。將理解，特定確定機制將取決於所測量的一個或多個特性。在一種實施方式中，也可在PoE子系統的外部確定發生不平衡的地點(例如，對測量值進行計算)。例如，可在處理器和/或PHY和/或耦接至PHY的開關系統內做出決定。

最後，在步驟506處，基於在步驟504中進行的確定，可調節PoE系統的電力傳輸的操作。可響應於在步驟504中進行的確定，進行各種類型的調節。在一個實例中，可生成消息，該消息警告IT人員不平衡。由於作為自動化處理的一部分可生成警報，所以該警報消息是識別表示效率風險的功率傳輸安裝的系統處理的一部分。在對這種警報做出響應時，通過在受影響的通道內修理或更換一個或多個元件，IT人員可校正該問題。

在另一實例中，通過隔離可解決不平衡。這裡，通過對電力傳輸進行限制，可解決所識別的失配。例如，PSE可被配置為將端口限於兩對功率，在具有不平衡的端口上限制輸出功率等。在又一實例中，通過補償，可解決不平衡。這裡，硬件和/或軟件補償機制可被用於抵消不平衡。例如，補償機制可被用於平衡失配的通道之間的電流。該平衡機制可確保在特定的配線對內不會產生不期望的過多熱效應。在其他實例中，可激活電流共享電路，可在PD和/或PSE處調節電壓，可在一組對與另一組對(例如，一對可相對於另一對具有其更大的電壓，使得若PD具有隔離抽頭，則其上所產生的電壓降相同，其中，這些隔離抽頭未綁定在RX處，而是進一步往下)上調節電壓，可調節PD功耗，可調節一個或多個PSE電流限制(如果在每個支路上分離開)等。

如上所述，用於識別和解決通道不平衡的系統機制的結合用於在通過有效的方式將電力提供給多個PD時，增加企業網路的效率。通道不平衡可能產生非預期的後果，諸如過多的熱量，採用標準的供電模型未對這進行解釋。儘管以上描述集中於通過乙太網雙絞線對電纜分配電力，但本發明的原理也可應用於數字用戶線路(DSL)技術、數據線供電(PoDL)技術、乙太網自動供電等。

本發明的另一實施方式可提供一種機器和/或計算機可讀儲存器和/或介質，在其上儲存有機器碼和/或計算機程序，該程序具有可由機器和/或計算機執行的至少一個代碼段，從而促使機器和/或計算機執行在本文中所描述的步驟。

對於本領域技術人員，通過回顧前述詳細描述，本發明的這些和其他方面將變得顯而易見。儘管上文已描述了本發明的多個顯著特徵，但本發明能具有其他實施方式且能够通過多種方式實踐和執行，對於本領域一般技術人員，在閱讀所公開的本發明之後，這些方式將是顯而易見的，因此，以上描述不應被視為排除這些其他實施方式。另外，應理解，在本文中所使用的措辭和術語是用於描述的目的且不應被視為限定。