TWI777571B

TWI777571B - 多電源乙太網路供電系統及其電源檢測裝置

Info

Publication number: TWI777571B
Application number: TW110118668A
Authority: TW
Inventors: 蕭銘宏; 郭嘉林
Original assignee: 九暘電子股份有限公司
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2022-09-11
Also published as: US20220376935A1; TW202247629A; CN115389966A

Abstract

應用在多電源乙太網路供電系統的電源檢測裝置包括：供連接多數電源供應的輸入端，檢測該輸入端的電源狀態信號的電源狀態檢測電路，及根據輸入信號產生閥值信號的閥值產生電路。電源狀態檢測電路根據閥值判斷電源供應的供電狀態，輸出代表供電正常或故障的供電狀態信號。

Description

多電源乙太網路供電系統及其電源檢測裝置

本發明是關於一種乙太網路供電系統，特別是關於應用在該系統的電源檢測裝置。具體言之，本發明特別是關於一種具備多數供電裝置的乙太網路供電系統，以及應用在這種系統的動態電源檢測裝置。

在有線通信網路中藉由網路線來對該網路上的操作裝置供應電力，已經是一種成熟的技術。例如經由乙太網路的信號纜線供電的乙太網路供電系統（Power over Ethernet, PoE），因具有降低安裝成本，以及集中式的供電與電力備份、安全管理等優點，已經逐漸受到歡迎。目前乙太網路供電系統通常都是遵循IEEE所公布的IEEE 802.3af – 2003標準，該標準內容在本案併入作為參考。

乙太網路供電系統提供擴充(scalable)功能。在操作的初始期間，系統可自動或手動設定將電力供應至屬於該系統的有限數量的埠。但隨著時間經過，系統還可以自行檢測電力供應狀態，並根據檢測結果增加或減少受電的埠數量。每一個埠可以接受一個受電裝置連接，而將電力供應到該受電裝置。

增加電力供應的方法包括使用複數的供電裝置或電力組。該多數供電裝置通常是以並聯方式連接到一個或多個控制元件，而將供電裝置的電功率供應或分配給個別受電裝置。具有其他架構的供電系統，也可以應用在以多數電源供電的乙太網路供電系統。只要能透過乙太網路的纜線，將已連接的電源的供電總和分配到一個或多個已連接的負載，即可應用在乙太網路供電系統。

在使用複數電源的供電系統中，有一個技術難題必須克服，就是在該多數供電裝置中，如有一個發生故障或降低輸出功率，就必須立即改變供電策略，例如停止對多數受電裝置中的特定數量供電，亦即對特定數量的埠供電，才能避免發生過負載。為了使電源故障產生的影響降到最低，必須能夠準確的檢測電源供應狀態（供電狀態），才能採取有用的對應措施，並避免誤動作。

圖1顯示一種多電源乙太網路供電系統的方塊圖，用來顯示一種習知的供電檢測裝置。圖中顯示該多電源乙太網路供電系統包含3個電源供應101、102、103。電源供應控制晶片200包括電源檢測裝置201以及供電分配控制器202。其中，電源檢測裝置201的輸入端連接該3個電源供應101、102、103，用來接收該3個電源供應101、102、103的電源狀態信號PG1、PG2、PG3，並根據該電源狀態信號PG1、PG2、PG3判斷各電源供應是否能正常供電。判斷結果以供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3輸出。

供電分配控制器202接收電源檢測裝置201的供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3，根據既定的供電策略，產生供電控制信號，例如En1-En8，送到網路埠Port N1至Port N8。該供電控制信號通常是開關信號，用以斷開（OFF）或閉合（ON）個別網路埠Port N1至Port N8的電源開關。該既定的供電策略通常是預先設定的供電策略，用來決定在該3個電源供應有一個以上發生故障時，應該斷開（OFF）或閉合（ON）的網路埠Port N1至Port N8。因此，當該電源檢測裝置201檢測到3個電源供應101、102、103中，任何一個的供電狀態改變，例如發生故障或從故障修復時，供電分配控制器202接收電源檢測裝置201的供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3後，發出供電控制信號En1-En8到網路埠Port N1至Port N8，以將特定的網路埠由供電狀態改變成不供電狀態，或反之。

圖中顯示，電源狀態信號PG1、PG2、PG3是由電源供應101、102、103的分支電路產生。電源狀態信號PG1、PG2、PG3的偵測點置於電阻R11與R12、R21與R22、R31與R32之間。因此，電源狀態信號PG1、PG2、PG3作為電壓信號，其電壓值為： PG1_V = HVpwr_1 x [R12/(R11+R12)] PG2_V = HVpwr_2 x [R22/(R21+R22)] PG3_V = HVpwr_3 x (R32/(R31+R32)] --- (1) 其中，HVpwr表電源供應101、102、103的電壓值。

根據IEEE 802.3af/at的標準規定，適用於PoE的電源供應，其供應電壓值在57V到44V範圍。

在此規定下，電源供應的電壓值如為57V，PG1_V、PG2_V、PG3_V的正常供應電壓值應落在1.390V，假設R11-R31為200KΩ，R12-R32為5KΩ。

57V x [5KΩ/(5KΩ+200KΩ)]=1.390V。

在此情形下，電源檢測裝置201需要設定電壓在55V以下時為故障，因為電源供應的電壓值降低超過 2V，就會崩潰(Power Crash)。則須將供電信號的電壓值設定在1.341V（55V x [5KΩ/(5KΩ + 200KΩ)] = 1.341V），並在檢測到信號電壓值高於1.341V，輸出代表「正常」的信號，例如1。且只有在檢測到信號電壓值為低於1.341V時，輸出代表「不正常」的信號，例如0。

但是，這種設定值1.341V，在供電電壓HVpwr是44V時，就會發生錯誤。因為，正常供電電壓為44V時需在電壓值降低超過 2V，落至42V時，才設定為故障。此時PG1_V、PG2_V、PG3_V值為1.024V （42V x [5KΩ/(5KΩ + 200KΩ)] = 1.024V）。但因為電源供應101已經設定閥值為1.341V，此時PG1_V、PG2_V、PG3_V無論是否在正常範圍，皆被判定「不正常」。結果造成HVpwr是44V時，無法使用，不符合IEEE 802.3af/at的標準規定57V到44V使用範圍。

由於不能正確檢測電源供應的供電狀態，就無法採取正確的供電策略，及時關閉通信埠的開關。結果將導致整個系統停擺。

本發明的目的是在提供一種新穎的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，該裝置可以根據電源供應的規格，動態設定供電狀態檢測。

習知技術針對這個技術難題，已經提出幾種解決方案。

美國專利公開案US 2007/283173A1是關於一種「檢測乙太網路供電系統故障的系統和方法」。在工作範圍設定為33至57伏特的PoE設備中，使用具有28伏特穿越特性的增納二極管，可以產生大約5伏特的容許誤差範圍。因此可以防止電源故障事件檢測的誤報。一種較佳實施例選用具有不同穿越特性的增納二極管，以在穿越電壓和工作電壓範圍之間組合，提供較小或較大的裕度。另外，還可以使用二極管電路來實現穿越特性。該二極管電路包括串聯的多個增納二極管，多個標準二極管或其任意組合，以提高電源故障檢測的正確性。

美國專利US 9,769,090 B2是關於一種「基於系統中受電設備的功率需求調整電流限制閾值，以通過通信鏈連提供功率」。該發明根據PD的功率需求來控制電流限值。提供一個電流極限對照表儲存對應於各種PD功率需求的電流極限閾值。閾值控制電路基於PD所需的功率在電流極限對照表找到對應的極限值。該閾值控制電路可應用在包含多個電源的系統。

由以上對已知技術的說明可知，目前業界亟需一種新穎的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，可以根據電源供應的規格，動態設定供電狀態檢測閥值。

本發明的目的是在提供一種新穎的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，該裝置可以根據電源供應的規格，動態設定供電狀態檢測閥值。

本發明的目的乃是提供一種新穎的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，該裝置可以正確檢測電源發生故障，以及時採取因應措施。

本發明的目的也在提供一種具有上述電源檢測裝置的多電源乙太網路供電系統。

根據本發明的第一面向，本發明提供一種多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，該電源檢測裝置包括：多數電源狀態信號輸入端，各輸入端可供與至少一個電源供應形成電連接，以從該電源供應接收電源狀態信號；在本發明的較佳實施例中，該電源狀態信號可為一電壓信號；電源狀態檢測電路，連接該多數電源狀態信號輸入端，用於接收該電源狀態信號，並根據該電源狀態信號判斷該信號由來的電源供應的供電狀態是否正常，而輸出供電狀態信號；及電源檢測閥值產生電路，提供一個控制信號輸入端，用於根據由該控制信號輸入端輸入的第一控制信號，產生一個電源檢測閥值，提供給該電源狀態檢測電路；在本發明的較佳實施例中，該電源檢測閥值信號為一電壓信號；其中，該電源狀態檢測電路根據該電源檢測閥值判斷該電源狀態信號所由來的電源供應的供電狀態，據以輸出該供電狀態信號。在本發明的較佳實施例中，該供電狀態信號包括代表供電正常的信號與代表供電故障的信號。

在本發明的特定較佳實施例中，該電源檢測閥值產生電路可包括一個可程式暫存器，以及一個數位至類比轉換器。該可程式暫存器可產生一個代表閥值等級的第二控制信號，提供給該數位至類比轉換器，以使該數位至類比轉換器產生一個對應的電源檢測閥值信號。在這種實施例中，該閥值等級可為2級、4級、8級、16級或其他2的倍數。

此外，該控制信號輸入端的輸入信號可以經由任何通信通道進入該控制信號輸入端。適用的實例包括該電源狀態檢測電路所適用的多電源乙太網路供電系統中的任何通信通道。常見的通信通道包括IIC匯流排、EEPROM匯流排等。

在本發明的特定較佳實施例中，該電源檢測裝置尚可包括一個可選用的編碼裝置，接在該電源狀態檢測電路後端，用來將該電源狀態檢測電路產生的供電狀態信號編譯成一組代碼。該編碼裝置也可以包括一個去抖動電路（de-bounce），用來消除該供電狀態信號中的抖動雜訊。

在本發明的多數較佳實施例中，該電源狀態檢測電路可包括至少一個比較器，用以根據該電源檢測閥值信號與該輸入電源狀態信號的比較結果，輸出代表電源供應正常或故障的供電狀態信號。

根據本發明的第二面向，本發明提供一種多電源乙太網路供電系統，該系統包括：多數供電裝置；多數通信埠，各通信埠可供一個用電裝置連接，以與該用電裝置建立信號與電力連接；各通信埠具有一個埠開關，以控制該埠的通電；控制裝置，經由網路線連接該多數供電裝置與該多數通信埠，提供對各供電裝置所供應的電功率進行轉換，成為適於各通信埠所要連接的用電裝置利用的電功率，並用於發出用電控制組合信號，以控制各通信埠自該多數供電裝置受電。

該控制裝置包括一個上述多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置當中的一種；該電源檢測裝置用於根據一個輸入的控制信號，產生電源檢測閥值信號，以根據該電源檢測閥值信號判斷該多數供電裝置的供電狀態，而產生代表供電狀態正常或故障的電源狀態信號；以及一個供電分配控制器，用於根據該電源狀態信號產生該用電控制組合信號。

本發明的其他目的、特徵與優點，可由以下實施方式之說明，並參照圖式之後，更形清楚。但須說明，本發明實施例的說明，目的僅在例示本發明的主要技術內容與特徵、效果，並不是用來限制本發明的範圍。此行業的專家都不難根據本案的說明內容，衍生各種變化與應用。只要不脫離所附的申請專利範圍，都在本發明的範圍之內。

以下將依據圖式說明本發明多電源乙太網路供電系統及其電源檢測裝置數種實施方式，以展示本發明的技術、特徵及效果。

圖2顯示本發明多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置的一種實施例架構示意圖。以下將以圖2所示的實例，說明本發明的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，以及適合應用該電源檢測裝置的多電源乙太網路供電系統。

如圖2所示，本發明的電源檢測裝置400主要包括該電源檢測裝置包括電源狀態信號輸入總成410、連接該電源狀態信號輸入總成410的電源狀態檢測電路430、連接該電源狀態檢測電路430的電源檢測閥值產生電路420、以及連接該電源狀態檢測電路430的可選用編碼裝置440。以下分別說明。

電源狀態信號輸入總成410提供多數電源狀態信號輸入端。圖2所示的實施例中包括3個電源狀態信號輸入端411、412、413，分別供與至少一個電源供應形成電連接。如本行業的專業人士可以理解，本發明的電源檢測裝置400是供使用在如圖1所示的多電源乙太網路供電系統，用來檢測各個電源供應是否正常。因此，該電源檢測裝置400於應用在該多電源乙太網路供電系統時，就是做為該系統的電源檢測裝置201。所提供的功能主要是檢驗圖1所示的3個電源供應101、102、103的電源狀態信號PG1、PG2、PG3，判斷各電源供應101、102、103是否正常運作。因此，該電源檢測裝置400的電源狀態信號輸入總成410提供多數電源狀態信號輸入端411、412、413，用來連接該3個電源供應101、102、103，以接收該3個電源供應101、102、103的電源狀態信號PG1、PG2、PG3，並根據該電源狀態信號PG1、PG2、PG3判斷各電源供應是否能正常供電。判斷結果以供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3輸出。當然，該電源狀態檢測電路所能包括的電源供應數量，並不限於3個。少於或多於3個，均無限制。

在本發明的較佳實施例中，該電源狀態信號可為一電壓信號。具體的做法就如圖1所示，從該電源供應101、102、103的電源線分流出該電源狀態信號PG1、PG2、PG3。該電源狀態信號PG1、PG2、PG3以電壓形式提供，電壓值分別是對應的電源供應101、102、103的供電電壓的一個比值。在本發明的其他實施例中，該電源狀態信號PG1、PG2、PG3也可為電流，或其他形式的信號。本發明的實施例使用電壓，取其便利。

電源狀態信號輸入端411、412、413通常就是一般的電連接器。也可為固定的接點。用來連接電源供應101、102、103，並將電源供應101、102、103的電源狀態信號PG1、PG2、PG3引入到電源狀態檢測電路430。

電源狀態檢測電路430連接該多數電源狀態信號輸入端411、412、413，用於接收該電源狀態信號PG1、PG2、PG3，並根據該電源狀態信號PG1、PG2、PG3判斷對應的3個電源供應101、102、103的供電狀態是否正常，而輸出供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3。如圖2所示，該電源狀態檢測電路430的一種實施方式為比較器431、432、433。比較器431、432、433的兩輸入端分別是該供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3，另一端則是由電源檢測閥值產生電路420所產生的電源檢測閥值。判斷的方式包括；在該供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3中任一者的數值高於該閥值時，判斷為供電正常，反之判斷為供電故障。具體而言，供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3是一個電壓信號。同時，該閥值也是一個電壓信號。當任一供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3的電壓值高於該閥值時，對應的比較器431、432、433就會輸入一個數值為1（或0）的信號，代表提供該供電狀態信號的電源供應供電正常。反之則輸出一個數值為0（或1）的信號，代表提供該供電狀態信號的電源供應故障。

當然，其他能夠根據一個閥值判斷電源供應是否正常，並輸出供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3的技術，都可以應用在本發明。

為達成本發明動態調整閥值的目的，電源檢測閥值產生電路420提供一個控制信號輸入端421，用於接收外界輸入的第一控制信號。該輸入端421可為任何電連接器，也可為電接點，連接到任何適用的信號通道，以接收該第一控制信號。該信號通道可為該多電源乙太網路供電系統中包含的任何通信通道，例如IIC匯流排、EEPROM匯流排等。其他的通信通道都可用來提供該第一控制信號。

在本發明的特定較佳實施例中，該電源檢測閥值產生電路420可包括一個可程式暫存器422，以及一個數位至類比轉換器423。該可程式暫存器422可根據該第一控制信號產生一個代表閥值等級的第二控制信號，提供給該數位至類比轉換器423，以使該數位至類比轉換器423產生一個對應的電源檢測閥值信號。

舉例而言，該閥值等級可為2級、4級、8級、16級或其他2的倍數。如果要產生一個16級的閥值，該可程式暫存器422可為一個4位元可程式暫存器，儲存0-15的值，代表16等級的閥值。該可程式暫存器422接收該第二控制信號後，發出對應的數值信號給數位至類比轉換器423。該數位至類比轉換器423也是一個4位元數位至類比轉換器，可以根據該等級的數值，產生對應的電壓。

詳言之，如前所述，在IEEE的PoE標準中規定電源供應的電壓正常範圍HVpwr為44V〜57V。據此計算得知，在圖1所示的實例中，如果要提供動態的閥值，該閥值的範圍應該分布在1.073V-1.390V之間。如將該範圍等量平分成16級，則每級之間的電壓差值應為：（1.390V- 1.073V）/16=0.317V/16=19.8mV；該數位至類比轉換器423產生一個1.073V+（0.0198V X N），N為第一控制信號值的閥值電壓信號，提供給比較器431、432、433。

因此，只要根據該電源供應101、102、103的正常工作電壓範圍的分布，提供正確的第一控制信號，輸入到該電源檢測閥值產生電路420，就可以使該電源檢測裝置400在檢測電源供應的供電狀態時，做出正確的判斷。

該閥值信號為電壓信號，主要是因為該電源狀態信號PG1、PG2、PG3也是電壓信號。在本發明的其他實施例中，該閥值信號並不限於電壓信號。

在本發明的特定較佳實施例中，該電源檢測裝置400尚可包括一個編碼裝置440。該編碼裝置440接在該電源狀態檢測電路430後端，用來將該電源狀態檢測電路430產生的供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3編譯成一組代碼。例如，該供電狀態信號PGD1、PGD2、PGD3如果是1、1、0，則該編碼裝置440可以產生一組1100或0110的代碼，以提供該多電源乙太網路供電系統的供電分配控制器202，做為控制信號。該編碼裝置也可以包括一個去抖動電路（de-bounce），用來消除該供電狀態信號中的抖動雜訊。

如上所述，本發明的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置僅須在習知電路中提供一個電源檢測閥值產生電路，例如以可程式暫存器422與數位至類比轉換器423組成的電源檢測閥值產生電路，就可以直接利用多電源乙太網路供電系統原有的資源，實現可編程的電源供電狀態檢測。

本發明的電源檢測裝置可以使用在任何已知的種多電源乙太網路供電系統。該系統包括：多數供電裝置；多數通信埠，各通信埠可供一個用電裝置連接，以與該用電裝置建立信號與電力連接；各通信埠具有一個埠開關，以控制該埠的通電；控制裝置，經由網路線連接該多數供電裝置與該多數通信埠，提供對各供電裝置所供應的電功率進行轉換，成為適於各通信埠所要連接的用電裝置利用的電功率，並用於發出用電控制組合信號，以控制各通信埠自該多數供電裝置受電。

其中，該控制裝置包括一個本發明電源檢測裝置以及一個供電分配控制器，用於根據該電源檢測裝置產生的電源狀態信號產生該用電控制組合信號。

101、102、103:電源供應 200:電源供應控制晶片 201:電源檢測裝置 202:供電分配控制器 PG1、PG2、PG3:電源狀態信號 PGD1、PGD2、PGD3:供電狀態信號 En1-En8:供電控制信號 Port P:網路埠正端 Port N1~Port N8:網路埠負端 400:電源檢測裝置 410:電源狀態信號輸入總成 411、412、413:電源狀態信號輸入端 420:電源檢測閥值產生電路 421:控制信號輸入端 422:可程式暫存器 423:數位至類比轉換器 430:電源狀態檢測電路 431、432、433:比較器 440:編碼裝置

圖1顯示一種習知多電源乙太網路供電系統的架構示意圖。圖2顯示本發明多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置的一種實施例架構示意圖。

PG1、PG2、PG3:電源狀態信號

PGD1、PGD2、PGD3:供電狀態信號

400:電源檢測裝置

410:電源狀態信號輸入總成

411、412、413:電源狀態信號輸入端

420:電源檢測閥值產生電路

421:控制信號輸入端

422:可程式暫存器

423:數位至類比轉換器

430:電源狀態檢測電路

431、432、433:比較器

440:編碼裝置

Claims

一種多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，包括：多數電源狀態信號輸入端，各輸入端可供與至少一個電源供應形成電連接，以從該電源供應接收電源狀態信號；電源狀態檢測電路，連接該多數電源狀態信號輸入端，用於接收該電源狀態信號，並根據該電源狀態信號判斷該信號由來的電源供應的供電狀態是否正常，而輸出供電狀態信號；及電源檢測閥值產生電路，提供一個控制信號輸入端，用於根據由該控制信號輸入端輸入的第一控制信號，產生一個電源檢測閥值，提供給該電源狀態檢測電路；其中，該電源狀態檢測電路根據該電源檢測閥值判斷該電源狀態信號所由來的電源供應的供電狀態，據以輸出該供電狀態信號；且其中，該電源檢測閥值產生電路包括一個可程式暫存器，以及一個數位至類比轉換器。
如申請專利範圍第1項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該供電狀態信號包括代表供電正常的信號與代表供電故障的信號。
如申請專利範圍第1項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該電源狀態檢測電路包括至少一個比較器，用以根據該電源檢測閥值信號與該輸入電源狀態信號的比較結果，輸出代表電源供應正常或故障的供電狀態信號。
如申請專利範圍第1項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該電源狀態信號為一電壓信號且該電源檢測閥值信號為一電壓信號。
如申請專利範圍第3項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該電源狀態信號為一電壓信號且該電源檢測閥值信號為一電壓信號。
如申請專利範圍第1項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該可程式暫存器可產生一個代表閥值等級的第二控制信號，提供給該數位至類比轉換器，以使該數位至類比轉換器產生一個對應的電源檢測閥值信號。
如申請專利範圍第6項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該閥值等級為2級、4級、8級、16級或其他2的倍數級。
如申請專利範圍第1至4項中任一項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該控制信號輸入端的輸入信號經由IIC匯流排或EEPROM匯流排進入該控制信號輸入端。
如申請專利範圍第1至4項中任一項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該電源檢測裝置另包括一個編碼裝置，接在該電源狀態檢測電路後端，用來將該電源狀態檢測電路產生的供電狀態信號編譯成一組代碼。
如申請專利範圍第1至4項中任一項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置，其中，該電源檢測裝置另包括一個去抖動電路，用來消除該供電狀態信號中的抖動雜訊。
一種多電源乙太網路供電系統，該系統包括：多數供電裝置；多數通信埠，各通信埠可供一個用電裝置連接，以與該用電裝置建立信號與電力連接；各通信埠具有一個埠開關，以控制該埠的通電；及控制裝置，經由網路線連接該多數供電裝置與該多數通信埠，提供對各供電裝置所供應的電功率進行轉換，成為適於各通信埠所要連接的用電裝置利用的電功率，並用於發出用電控制組合信號，以控制各通信埠自該多數供電裝置受電；其中，該控制裝置包括一個如申請專利範圍第1至10項中任一項的多電源乙太網路供電系統電源檢測裝置；該電源檢測裝置用於根據一個輸入的控制信號，產生電源檢測閥值信號，以根據該電源檢測閥值信號判斷該多數供電裝置的供電狀態，而產生代表供電狀態正常或故障的電源狀態信號；以及一個供電分配控制器，用於根據該電源狀態信號產生該用電控制組合信號。