用于以太网供电系统的检测及分类方案的制作方法
【专利说明】 用于以太网供电系统的检测及分类方案[0001 ] 相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案基于大卫德维利(David Dwelley)等人的2013年10月I日提出申请的序列号为61/885，195的美国临时申请案且主张来自其的优先权，所述美国临时申请案以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及例如以太网供电(PoE)等系统，其中电力是经由数据线传输且在将全PoE电压施加到数据线之前执行一例程。更特定来说，本发明涉及一种使供电设备(PSE)识别受电装置(PD)具有PoE能力及H)电力要求的方案。
【背景技术】
[0004]已知经由数据线传输电力以给远程设备供电。以太网供电(PoE)是一种此类系统的实例。在PoE中，从以太网交换机将受限电力传输到经以太网连接设备(例如，VoIP电话、WLAN发射器、安全摄像机等)。经由标准CAT-5电缆中的两组双绞线对传输来自交换机的DC电力。相同的两组双绞线对也可发射差分数据信号，这是因为DC共模电压不影响数据。以此方式，可消除对提供用于“受电装置”(PD)的任何外部电源的需要。在以引用的方式并入本文中的IEEE 802.3中陈述了PoE标准。
[0005]经由数据线提供电力适用于其它现有的系统及将来的系统。举例来说，汽车中的电子设备将越来越多地受益于经由数据线提供到设备的电力以减少布线。IEEE或其它群组可标准化使用数据线供电的各种新的系统。
[0006]使用数据线供电的此类系统可或可不需要握手协议。本发明适用于需要来自H)的对将向数据线施加全PoE电压的某种指示的系统。
[0007]虽然本发明可应用于使用数据线供电的任何系统，但将作为一实例描述典型的PoE系统。
[0008]图1表示使用PoE的典型以太网系统。在图1的实例中，“供电设备”(PSE)12可为将电力及数据供应到ro的任何以太网装置。PSE 12及H) 14通常经由端接有标准以太网8引脚(四个双绞线对)RJ45连接器的标准CAT-5电缆连接。通常需要所述双绞线对中的仅两者来用于PoE及数据。
[0009]PSE 12通常由电源电压(120V AC)供电且使用外部或内部电压转换器16来产生介于44伏到57伏之间的DC电压。PoE标准需要PSE在H)处供应最小37伏。沿着电缆的电压降随着距离而增加。
[0010]指派双绞线对中的两者18及20来载运PoE电力，且这些对还可载运差分数据。还展示其余两个对。所有使用中的对通过变压器(例如变压器22及24)端接于H) 14处。假定双绞线对18提供44伏且双绞线对20连接到接地。进行到变压器22及24的中心抽头的连接以将44伏提供到PD 14。由于DC电压为共模的，因此其不影响差分数据。PD端接块25中还包含其它常规端接电路，例如在变压器下游的极性校正电路(二极管桥接器)，但所述其它常规端接电路与本发明无关。
[0011]将44伏施加到DC-DC转换器26以用于将所述电压转换为PD14所需要的任一或若干电压。负载28(例如，安全摄像机)由转换器26供电并经由双绞线对与PSE 12通信。
[0012]IEEE标准需要在PSE 12与PD 14之间的特定低电流握手程序以便检测PoE受电装置的存在且以便在PSE 12使得全电力可用于PD 14之前传达PSE 12及H) 14的相关特性。检测/分类电路29控制握手例程，且可为状态机、处理器或任何其它适合控制电路。PSE 12还含有用于执行握手例程的电路。用于执行握手例程的电路为众所周知的1C。
[0013]以下为PSE12与H) 14之间的握手例程的简化概述。
[0014]当PSE12第一次经由以太网电缆连接到H) 14时，PSE 12询问H) 14以确定其是否具有PoE能力。此周期称为检测阶段。在检测阶段期间，PSE 12在固定间隔内经由双绞线对18及20向H) 14施加第一电流受限电压，且接着在固定间隔内施加第二电流受限电压，同时通过检测所得电流而查看PD 14的特性阻抗(约25千欧)。如果未检测到正确的阻抗，那么PSE 12假定负载不具有PoE能力并关闭PoE产生端。系统接着作为标准以太网连接而操作。
[0015]如果检测到标志阻抗，那么PSE 12继续移动到任选分类阶段。PSE 12使到H) 14的电压斜升。PSE 12产生一个脉冲(指示其为类型1PSE)或两个脉冲(指示其为类型2PSEKPD14以特定电流电平对分类脉冲做出响应以识别ro 14是类型I还是类型2。类型I ro需要少于13W。类型2 PD需要高达最大25.5W。还可识别这些类型内的各种类别(例如，五个类别)，每一类别与最大平均电流电平及最大瞬时电流电平相关联。可使用分类电阻。PSE 12接着可使用此电力需求信息来确定其是否可将所需电力供应到ro 14，且ro 14使用所述信息来确定其是否可完全地借助PSE 12操作。存在用于检测及分类阶段的最大时间窗(例如，500ms)。
[0016]在将来可实施其它类型的检测及分类例程以及标准。
[0017]在检测及分类阶段完成后，PSE12即刻使其输出电压斜变到42V以上。一旦已在H)14处检测到欠电压锁定(UVLO)阈值，便接通内部FET以将全PoE电压连接到转换器26，且转换器26将经调节DC电压供应到负载28。此时，PD 14开始正常地操作，且只要输入电压保持在所需电平以上，其就继续正常地操作。
[0018]如所看出，握手操作需要花时间进行的多个低电流操作。此外，H)必须含有用于产生各种握手信号的PoE控制器1C，且此IC给每一 H)增加成本。此外，25千欧电阻器增加PD在正常操作期间的电流吸引。
[0019]需要一种用以使PSE识别PD具有PoE能力且识别PD的电力要求(例如PD是类型I装置还是类型2装置)的新技术，其中所述技术不遭受现有技术的缺陷。
【发明内容】
[0020]本发明是用于使PSE识别PD具有PoE能力且识别PD的类型(例如类型I或类型2)的单个步骤检测及分类技术。所述单个步骤技术还可识别关于ro的其它信息。
[0021 ]在一个实施例中，PD设计者选择具有对应于PD所需要的PoE电力电平的特定值的电容器。在输入变压器下游且在将PoE线连接到PD的转换器的开关之前跨越ro的线对而连接所述电容器。
[0022]当最初经由标准以太网电缆将PSE连接到H)时或当将PSE开启电源时，在内部控制PSE以将预定低DC电流供应到以太网线对。固定电流将ro的前端处的电容器充电以致使所述电容器产生斜坡电压，其中斜坡的斜率由电容值确定。由于电流是低的，因此沿着电缆存在非常小的电压降。
[0023]将PD内部的第一开关在电容器与下游ro电路之间断开以隔离电容器，因此下游电路不影响由PSE感测的电容。可在下游电容不重要的情况下消除所述第一开关。
[0024 ] PSE中的比较器检测斜坡电压何时跨过已知阈值。施加电流与跨过阈值之间的时间与电容器的值直接相关(C=i*t/v)。在一个实例中，如果所述时间在第一时间范围内，那么PSE确定PD电容器具有第一值，所述第一值指示ro具有PoE能力且为类型I PD。如果所述时间在第二时间范围内，那么PSE确定ro电容器具有第二值，所述第二值指示PD具有PoE能力且为类型2 PD。可基于斜坡电压超过阈值所花费的时间确定关于ro的其它信息。
[0025]在跨过阈值之后，PSE停止将低电流施加到H)。接着闭合所述第一开关以将下游H)电路连接到ro输入端子。
[0026]将“延迟”时间Td应用于PSE中的控制器。如果Td与类型I ro相关联，那么所述控制器控制PSE的电力供应器以将全PoE电压供应到以太网线，且实施与类型I ro相关的各种约束，例如电流/电力限制。如果Td与类型2 ro相关联，那么所述控制器控制PSE的电力供应器以将全PoE电压供应到以太网线，且实施与类型2 ro相关的各种约束。额外Td范围可与ro的其它参数相关联，例如额外类型、身份识别、遥测等。
[0027]PD接着检测到PSE电压超过UVLO阈值且闭合电容器下游的将PSE电压耦合到PD的转换器的第二开关。所述转换器接着调节PSE电压且给ro负载供电。由于ro电容器是跨越DC电压而连接，因此其不会不利地影响由PD消耗的电压或电力。有利地，电容器还用于对PoE线上的瞬态进行滤波。在另一实施例中，在正常操作期间切断电容器。
[0028]可将针对每一ro类型的电容器值标准化。由于电压斜升超过阈值可非常快速且仅需要由PSE施加低电流的单个步骤，因此PSE与PD之间的握手非常简单且快速。并且，不需要ro控制器IC来进行握手。所述电容器可形成为ro集成电路的部分或可为单独连接的离散电容器。
[0029]在另一实施例中，代替电容器，在ro中跨越线对连接齐纳(Zener)二极管或其它电压限制器。电压限制值经选择以根据预定标准传达ro类型