TWI779354B

TWI779354B - 乙太網供電裝置

Info

Publication number: TWI779354B
Application number: TW109131373A
Authority: TW
Inventors: 李�赫; 王銳; 湯其彩; 張敏; 張騰月
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-10-01
Also published as: TW202211657A; US20220069864A1; CN114143120B; US12107641B2; CN114143120A

Abstract

本發明提出一種乙太網供電裝置及其功率管理方法。乙太網供電裝置包含複數連接埠以及控制器。每個連接埠供耦接一受電裝置，以在受電裝置處於一供電階段時經由連接埠供電給受電裝置。當受電裝置在進入供電階段之前的一啟動階段時，控制器以分配給受電裝置的一功率配額來計算一剩餘功率額度。

Description

乙太網供電裝置

本發明是有關於一種乙太網供電技術，尤其是一種乙太網供電裝置及其功率管理方法。

在現行的乙太網供電系統中（Power over Ethernet，POE），若多個受電裝置（PD，Powered Device）同時耦接乙太網供電裝置（Power Source Equipment，PSE），且在短時間請求乙太網供電裝置供電時，例如受電裝置在啟動階段請求乙太網供電裝置供電，則由於受電裝置在剛被啟動時所消耗的功率波動幅度極大，並不穩定，導致乙太網供電裝置所測量到的受電裝置的消耗功率與受電裝置實際的消耗功率差距甚遠，致使該些受電裝置的實際消耗功率已超過乙太網供電裝置所能供給的電力上限，因而觸發乙太網供電裝置的過載保護機制，導致該些受電裝置的受電狀態處於極不穩定的情形。

此外，當觸發過載機制而使部分受電裝置斷電後，乙太網供電裝置判斷其所剩餘的電力夠供給先前斷電的受電裝置時，又會開始供電給該些受電裝置，然而因受電裝置在剛被啟動時所消耗的功率波動幅度極大，該些受電裝置又觸發乙太網供電裝置的過載保護機制，進而斷電，因此造成不斷供電-斷電之電源打嗝現象。

鑒於上述，本案提供一種乙太網供電裝置及其功率管理方法，以改善多數量的受電裝置同時連接乙太網供電裝置時，該些受電裝置的受電狀態不穩定之情形。

依據一些實施例，乙太網供電裝置包含複數連接埠以及控制器。每個連接埠供耦接一受電裝置，以在受電裝置處於一供電階段時經由連接埠供電給受電裝置。當受電裝置在進入供電階段之前的一啟動階段時，控制器以分配給受電裝置的一功率配額來計算一剩餘功率額度。

依據一些實施例，當受電裝置在供電階段時，控制器以測量到受電裝置的一測量消耗功率計算剩餘功率額度。

依據一些實施例，每個受電裝置在啟動階段的測量消耗功率的變化幅度較其在供電階段大。

依據一些實施例，測量消耗功率為在一時間窗口內測量到的平均消耗功率。

依據一些實施例，每個受電裝置的該測量消耗功率不超過其被分配的該功率配額。

依據一些實施例，當受電裝置在一分級階段時，控制器偵測受電裝置的一功率級別，以根據功率級別決定分配給受電裝置的功率配額。

依據一些實施例，控制器依據在一時點處於啟動階段的每個受電裝置的功率配額相加而取得一第一總和，在同一時點對於處於供電階段的每個受電裝置所測量到的一測量消耗功率相加而取得一第二總和，並將乙太網供電裝置的一總功率扣除第一總和及第二總和而計算得剩餘功率額度。

依據一些實施例，時點為控制器評估是否允許待受電的受電裝置進入啟動階段時。

依據一些實施例，控制器依據每個受電裝置的請求供電速率及乙太網供電裝置的一過載耐受度決定啟動階段的時間長度。

依據一些實施例，乙太網供電裝置的功率管理方法包含在一受電裝置處於一供電階段時，供電給受電裝置；以及當受電裝置在進入供電階段之前的一啟動階段時，以分配給受電裝置的一功率配額來計算一剩餘功率額度。

因此，依據一些實施例，乙太網供電裝置在受電裝置進入啟動階段時，以分配給該受電裝置的功率配額，即受電裝置在分級階段時所分配到的可消耗的最大功率或其可承受之最大功率，來計算乙太網供電裝置的剩餘功率額度，以確保乙太網供電裝置的剩餘功率足夠供應給其他受電裝置，避免短時間多個受電裝置請求供電時造成的電源打嗝現象，並提升乙太網供電裝置的供電品質。

請同時參照圖1及圖2。圖1係為本發明一實施例之乙太網供電裝置100之方塊示意圖。圖2係為本發明一實施例之乙太網供電裝置100的功率管理方法之流程示意圖。乙太網供電裝置100適於執行該功率管理方法。乙太網供電裝置100包含控制器110以及多個連接埠120。控制器110耦接一外部網路端200、一電源300、以及連接埠120。外部網路端200用以提供網路資料。電源300用以提供乙太網供電裝置100電力。每個連接埠120供耦接一受電裝置400，以將電力及網路資料傳送至受電裝置400。控制器110用以執行該功率管理方法，以經由連接埠120將從電源300接收的電力及從外部網路端200接收的網路資料傳送至受電裝置400，並計算乙太網供電裝置100的剩餘功率額度以判斷是否有多餘的電力可提供給其他待受電的受電裝置400。剩餘功率額度為乙太網供電裝置100從電源300獲得的總功率減去提供給已受電的受電裝置400的功率所剩餘的功率。

乙太網供電裝置100例如但不限於乙太網交換器、乙太網電源集線器、乙太網供電器、乙太網分歧器等。控制器110例如但不限於中央處理器（CPU，Central Processing Unit）、微處理器（Microprocessor）、特定應用積體電路（ASIC, Application-specific Integrated Circuit）、系統單晶片（SOC, System on a Chip）等。連接埠120例如但不限於RJ45接頭等。受電裝置400可為具有乙太網供電技術的裝置，例如但不限於網路攝影機、路由器、行動裝置、電腦、筆記型電腦等。電源300可由能供應電力的裝置或電路來實現，例如電源適配器、電池等。

在一些實施例中，乙太網供電裝置100可包含電源300，即乙太網供電裝置100不必透過外接電力源來獲得電力。在一些實施例中，連接埠120經由乙太網路線（Ethernet Cable）耦接受電裝置400。其中，乙太網路線例如但不限於2對或4對之雙絞銅線等。在一些實施例中，外部網路端200可為伺服器並透過乙太網路線耦接乙太網供電裝置100。在一些實施例中，乙太網供電裝置100及受電裝置400為以符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則來供電與受電。

在一些實施例中，當受電裝置400處於供電階段時，乙太網供電裝置100經由連接埠120供電給受電裝置400。供電階段為穩定供應給受電裝置400一電壓（例如乙太網供電裝置100之滿載輸出電壓或額定輸出電壓）、穩定供應受電裝置400一功率（例如受電裝置400對乙太網供電裝置請求之功率或乙太網供電裝置100之滿載輸出功率、額定輸出功率等）或穩定供應受電裝置400符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則之電壓或功率（例如依據IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則所規範的乙太網供電裝置100之輸出功率或受電裝置400所能請求之功率）。在一些實施例中，由於傳輸時會有功率耗損，因此乙太網供電裝置100之輸出功率可以大於受電裝置400所請求之功率。

參照圖2。當待受電的受電裝置400耦接乙太網供電裝置100時，乙太網供電裝置100執行步驟S201，控制器110檢測受電裝置400是否為符合乙太網供電條件的裝置（即受電裝置400處於檢測階段）。例如乙太網供電裝置100經由連接埠120提供多個不同電壓大小的測試電壓給受電裝置400，控制器110透過測試電壓並利用歐姆定律來計算受電裝置400的阻抗值（例如共模電阻）或透過測試電壓計算電容值，若該阻抗值及該電容值不符合乙太網供電條件時，則乙太網供電裝置100直接結束（圖未示），即不會供電給受電裝置400。在此，測試電壓可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的乙太網路供電技術準則的檢測階段所規範之測試電壓，例如2.8伏特至10伏特之間的電壓。乙太網供電條件可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的乙太網路供電技術準則的檢測階段所規範之阻抗值及電容值，例如19千歐姆至26.5千歐姆之間的阻抗值及不大於150奈法拉之電容值。

若待受電的受電裝置400符合乙太網供電條件時，乙太網供電裝置100執行步驟S203，控制器110偵測受電裝置400的一功率級別（即受電裝置400處於分級階段），以根據功率級別決定分配給受電裝置400的功率配額。具體來說，乙太網供電裝置100經由連接埠120向受電裝置400施加一分級檢測電壓，控制器110經由連接埠120測量受電裝置400的電流，控制器110依據該電流的大小及表1查找受電裝置400所對應之功率級別，並依據該功率級別及表2決定分配給受電裝置400的功率配額。在此，分級檢測電壓可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的乙太網路供電技術準則的分級階段所規範之分級檢測電壓，例如15.5伏特至20.5伏特之間的電壓。在一些實施例中，執行步驟S203的時間不能超過IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的乙太網路供電技術準則所規範之時間，例如不能超過75毫秒。

[表1]

功率級別	電流
0	＜0.4mA
1	10.5mA
2	18.5mA
3	28mA
4	40mA

[表2]

功率級別	功率配額
0	15.4W
1	4W
2	7W
3	15.4W
4	30W

在一些實施例中，表1及表2可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則之對照表，其表2之功率配額可為IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的功率分類準則所規範之受電裝置400所能消耗的最大消耗功率、其所能承受之最大功率或是乙太網供電裝置100所能提供之功率。在一些實施例中，表1及表2可儲存於控制器110中。在一些實施例中，表1及表2可以整合在一起形成一單一的對照表。

當乙太網供電裝置100對待受電的受電裝置400分級完後，乙太網供電裝置100執行步驟S205，控制器110計算剩餘功率額度，以判斷是否有多餘的電力可提供給待受電的受電裝置400。若乙太網供電裝置100剩餘的電力足夠提供給待受電的受電裝置400時，則執行步驟S207。

在步驟S207中，控制器110將自電源300接收的電力經由連接埠120從低電壓並以逐漸增大電壓的方式對受電裝置400供電，以啟動受電裝置400，且在達到滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）後停止增加電壓，此時乙太網供電裝置100即持續提供滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）給受電裝置400，亦即進入步驟S209。在此，若乙太網供電裝置100施加於受電裝置400之電壓未達滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）時，則代表受電裝置400處於啟動階段；若乙太網供電裝置100施加於受電裝置400之電壓達到滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）時，則代表受電裝置400處於供電階段。滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則之滿載輸出電壓（或額定輸出電壓），例如48伏特、57伏特等。在一些實施例中，乙太網供電裝置100在提供滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）給受電裝置400後，受電裝置400會先經過一延遲時間後，才從乙太網供電裝置100接收滿載輸出電壓（或額定輸出電壓），換言之乙太網供電裝置100施加於受電裝置400之電壓達到滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）時，受電裝置400會先經過一延遲時間後，才處於供電階段（即，受電裝置400的啟動階段包含乙太網供電裝置100施加於受電裝置400之電壓未達滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）、及乙太網供電裝置100施加於受電裝置400之電壓達到滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）後的一延遲時間內），亦即受電裝置400會先經過一延遲時間後，才穩定的自乙太網供電裝置100接收功率以供自身消耗。其中延遲時間的設置為避免受電裝置400自乙太網供電裝置100接收滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）的功率時，而產生湧浪電流，因而確保受電裝置400不會因湧浪電流而造成損毀。在一些實施例中，延遲時間可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則之延遲時間，例如延遲時間可以為至少80微秒。在一些實施例中，受電裝置400在延遲時間時，相對於處於供電階段具有較低的功耗及具有功耗波動。

在步驟S205中，若已受電的受電裝置400處於啟動階段時，控制器110依據分配給該已受電的受電裝置400的功率配額來計算剩餘功率額度。具體來說，控制器110將自電源300接收的總功率減去分配給該已受電的受電裝置400的功率配額來計算剩餘功率額度。如式1所示，其中

為剩餘功率額度，

為總功率，

為功率配額。功率配額為乙太網供電裝置100可提供給受電裝置400的最大功率或是受電裝置400所能承受之最大功率，由於受電裝置400處於啟動階段時，其消耗的功率變化幅度極大，因此藉由依據功率配額來計算剩餘功率額度，使控制器110依據剩餘功率額度能確保乙太網供電裝置100的剩餘電力足夠供應給其他待受電的受電裝置400，以避免因受電裝置400的功率變化幅度而造成的電源打嗝現象，導致受電裝置400無法穩定的受電，即避免乙太網供電裝置100無法穩定的供電給受電裝置400，進而提升乙太網供電裝置100的供電品質。

……（式1）

在步驟S205中，若已受電的受電裝置400處於供電階段時，控制器110以測量到受電裝置400的一測量消耗功率計算剩餘功率額度。亦即，控制器110將自電源300接收的總功率減去測量消耗功率來計算剩餘功率額度。如式2所示，其中

為剩餘功率額度，

為總功率，

為測量消耗功率。測量功率的方式可例如是，控制器110經由連接埠120取得施加於受電裝置400的電壓之大小及受電裝置400的電流之大小，並依據該電壓及該電流計算受電裝置400的測量消耗功率。在一些實施例中，測量消耗功率為受電裝置400當前所實際消耗的功率。

……（式2）

由於各種電子裝置在剛被啟動時裝置的系統尚未穩定，此時的功率的變化幅度會極不穩定，亦即受電裝置400在啟動階段時的電流會產生劇烈的變化幅度，而當電子裝置啟動完成並進入穩定狀態後，此時的功率即較不會出現變化，亦即受電裝置400在供電階段時的電流會呈現穩定狀態。因此，受電裝置400在啟動階段時，控制器110所測量到的測量消耗功率之變化幅度會比受電裝置400在供電階段時控制器110所測量到的測量消耗功率還大。

在一些實施例中，測量消耗功率為在一時間窗口內控制器110測量到的受電裝置400之平均消耗功率。亦即，控制器110經由連接埠120在時間窗口內測量受電裝置400所消耗的能量，並依據消耗能量及時間窗口計算而得平均消耗功率。具體來說，控制器110將消耗能量除以時間窗口計算而得平均消耗功率。在一些實施例中，時間窗口可為符合IEEE802.3af、IEEE802.3at、IEEE802.3bt的準則所規範之時間窗口，例如1秒。在一些實施例中，控制器110週期性地測量受電裝置400的測量消耗功率。例如控制器110每隔一時間窗口後才測量一次受電裝置400的測量消耗功率。

由於功率配額可為乙太網供電裝置100可提供給受電裝置400的最大功率或是受電裝置400所能承受之最大功率，而測量消耗功率可為受電裝置400的實際消耗功率，因此受電裝置400的測量消耗功率不超過其被分配的功率配額。是以，控制器110是對於處於啟動階段的受電裝置400以較測量消耗功率高的功率配額來計算剩餘功率額度。

在步驟S205中，控制器110計算剩餘功率額度後，依據剩餘功率額度評估是否允許待受電的受電裝置400進入啟動階段，若待受電的受電裝置400的請求功率小於剩餘功率額度時，控制器110允許待受電的受電裝置400進入啟動階段，亦即允許處於分級階段的受電裝置400進入啟動階段，控制器110進而執行步驟S205及步驟S207，乙太網供電裝置100持續供電給受電裝置400，使受電裝置400進入供電階段。若待受電的受電裝置400的請求功率不小於剩餘功率額度時，控制器110執行結束（圖未示）。在一些實施例中，請求功率可為受電裝置400自身的額定功率。

在一些實施例中，在步驟S205中，在一時點時，控制器110依據處於啟動階段的每個受電裝置400的功率配額相加而取得第一總和，在同一時點控制器110對於每個處於供電階段的每個受電裝置400所測量到的測量消耗功率相加而取得第二總和，並將乙太網供電裝置100的總功率扣除第一總和及第二總和而計算得剩餘功率額度。如式3所示，其中

為剩餘功率額度，

為總功率，

為功率配額，

為測量消耗功率。其中，該時點可為一待受電的受電裝置400經歷完分級階段並處於被乙太網供電裝置100的控制器110評估是否允許其進入啟動階段的時間點。總功率為乙太網供電裝置100從電源300接收的總電力。

……（式3）

由於若全部以功率配額來計算剩餘功率額度，例如以乙太網供電裝置100最大可提供的功率來計算，會大幅降低乙太網供電裝置100可供電給受電裝置400的總數量，然而當受電裝置400處於啟動階段時若以測量消耗功率來計算剩餘功率額度，例如以受電裝置400實際消耗的功率來計算，又會造成電源打嗝的現象。因此藉由處於啟動階段的受電裝置400以功率配額來計算剩餘功率額度及處於供電階段的受電裝置400以測量消耗功率來計算剩餘功率額度，可大幅提升乙太網供電裝置100可供電給受電裝置400的總數量。

在一些實施例中，控制器110依據受電裝置400的請求供電速率及乙太網供電裝置100的一過載耐受度決定啟動階段的時間長度。例如，若乙太網供電裝置100的過載耐受度較差時或是請求供電速率較高時，啟動階段的時間長度即會較短；反之則啟動階段的時間長度即會較長。請求供電速率可為受電裝置400在步驟S207中請求乙太網供電裝置100從低電壓並逐漸增大電壓至滿載輸出電壓（或額定輸出電壓）的速率。過載耐受度可為乙太網供電裝置100所能承受之最大輸出電流上限或過電流的保護點（OCP，Over Current Protection）。

因此，依據一些實施例，乙太網供電裝置100在受電裝置400進入啟動階段時，以分配給該受電裝置400的功率配額來計算乙太網供電裝置100的剩餘功率額度，以確保乙太網供電裝置100的剩餘功率足夠供應給其他受電裝置400，避免短時間多個受電裝置400請求供電時造成的電源打嗝現象，並提升乙太網供電裝置100的供電品質。並且，依據各受電裝置400的階段分別以功率配額或測量消耗功率來計算剩餘功率額度，而非一概以功率配額來計算，可更有效的利用電力資源。

100:乙太網供電裝置 110:控制器 120:連接埠 200:外部網路端 300:電源 400:受電裝置 S201~S209:步驟

[圖1]為本發明一實施例之乙太網供電裝置之方塊示意圖。 [圖2]為本發明一實施例之乙太網供電裝置的功率管理方法之流程示意圖。

S201~S209:步驟

Claims

一種乙太網供電裝置，包含：複數連接埠，各該連接埠供耦接一受電裝置，以在該受電裝置處於一供電階段時經由該連接埠供電給該受電裝置；以及一控制器，當該受電裝置在進入該供電階段之前的一啟動階段時，該控制器以分配給該受電裝置的一功率配額來計算一剩餘功率額度；其中當該受電裝置在該供電階段時，該控制器以測量到該受電裝置的一測量消耗功率計算該剩餘功率額度。
如請求項1所述之乙太網供電裝置，其中各該受電裝置在該啟動階段的該測量消耗功率的變化幅度較其在該供電階段大。
如請求項1所述之乙太網供電裝置，其中該測量消耗功率為在一時間窗口內測量到的平均消耗功率。
如請求項1所述之乙太網供電裝置，其中各該受電裝置的該測量消耗功率不超過其被分配的該功率配額。
如請求項1所述之乙太網供電裝置，其中當該受電裝置在一分級階段時，該控制器偵測該受電裝置的一功率級別，以根據該功率級別決定分配給該受電裝置的該功率配額。
如請求項1所述之乙太網供電裝置，其中該控制器依據在一時點處於該啟動階段的各該受電裝置的該功率配額相加而取得一第一總和，在同一該時點對於處於該供電階段的各該受電裝置所測量到的一測量消耗功率相加而取得一第二總和，並將該乙太網供電裝置的一總功率扣除該第一總和及該第二總和而計算得該剩餘功率額度。
如請求項6所述之乙太網供電裝置，其中該時點為該控制器評估是否允許待受電的該受電裝置進入該啟動階段時。
如請求項7所述之乙太網供電裝置，其中當待受電的該受電裝置的一請求功率小於計算出的該剩餘功率額度時，該控制器允許待受電的該受電裝置進入該啟動階段。
如請求項1所述之乙太網供電裝置，其中該控制器依據各該受電裝置的請求供電速率及該乙太網供電裝置的一過載耐受度決定該啟動階段的時間長度。