用于以太网络供电具有低待机电压的电源设备控制器及控制方法与流程

本发明涉及一种以太网供电装置，特别是一种用于以太网络供电具有低待机电压的电源设备(powersourceequipment；pse)控制器及控制方法。

背景技术：

以太网供电(poweroverinternet；poe)描述了通过双绞线以太网电缆将电力与数据并行传输的标准系统。这允许一单根电缆为诸如无线接入点、安全网络摄影机、因特网协议(internetprotocol；ip)电话和其他基于因特网协议的终端的设备提供数据连接和电力。

以太网通信在两个通信节点之间的通信链路上提供根据ieee(电机和电子工程师协会)802.3以太网标准运行的高速数据通信。两个节点之间的通信媒介可以是双绞线、或是用于以太网或适用的其他类型的通信媒介。以太网供电(poweroverinternet；poe)通信系统通过通用通信链路提供电力和数据通信。更具体地说，连接到通信链路的第一节点的物理层(physicallayer)的电源设备(powersourceequipment；pse)向通信链路的第二节点处的受电设备(powereddevice；pd)提供直流电力(例如，56伏特直流电)。直流电源通过通信媒介同时传输，高速数据从一个节点传输到另一个节点。

在以太网供电(poe)系统中，其电力是以共用模式(commonmode)通过在以太网电缆中找到的两个或更多差分线对提供，并且来自poe支持的网络设备，例如以太网交换机内的电源、或者可以通过中跨电源(midspanpowersupply)注入电缆。中跨电源(或称为poe电源注入器)是额外的以太网供电电源，可与非以太网供电交换机结合使用。一般来说，端点电源设备(endpointpses)将其电源放置在电缆中的数据线对上，而中跨电源设备(midspanpses)仅限于使用备用线对。这里，如ieee802.3af标准所设想的以太网供电(poe)的三种变化体，如图1a、1b和1c所示，图1a、1b和1c仅用作显示可能的以太网供电(poe)配置的示例。在图1a中，数据电信网络10包括具有集成电源设备(pse)5的交换机(switch)或集线器(hub)3。来自集成电源设备(pse)5的电力经由中心抽头变压器7a和7b注入两个携带数据的以太网双绞线9a和9b。非数据承载的以太网双绞线9c和9d在该变化体中未被使用。携带数据的以太网双绞线9a和9b的电力从中心抽头变压器7c和7d传导到受电装置(powereddevice)13以供使用。在图1b中，数据通信网络20包括具有集成电源设备(pse)15的交换机(switch)或集线器(hub)3a。来自集成电源设备(pse)15的电力被注入两个非数据传输的以太网双绞线19c和19d。承载数据的以太网双绞线19a和19b在该变型中未用于功率传输。如图所示，来自非数据承载以太网双绞线19c和19d的电力被传导到受电装置(powereddevice)23以供使用。在图1c中，数据通信网络30包括没有集成电源设备(pse)的交换机(switch)或集线器(hub)3b。中跨电力插入(midspanpowerinsertion)设备31简单地将两个携带数据的以太网双绞线29a-1和29b-1上的数据信号传递给相应携带数据的以太网双绞线29a-2和29b-2。如图所示，来自位于中跨功率插入设备31中的电源设备(pse)25的电力被注入到两个非数据承载的以太网双绞线29c-2和29d-2上。如图所示，来自非数据承载的以太网双绞线29c-2和29d-2的电力被传导到受电装置(powereddevice)33以供使用。电力终端站(poweredendstations)11、11a和11b全部相同，使得它们可以实现与前述每一个变型中的兼容性。

在以太网供电(poe)系统中，可以以各种标准以及用于传递各种级别或类别功率的非标准模式来配置电源设备(pse)。每个ieee802.3af和802.3at标准都包含规范和配置细节。每个标准的一部分为每个电源设备(pse)提供了一种机制来检测网络端口(port)上是否存在受电装置(pd)，例如通过检测受电装置(pd)的电阻。例如，在通电之前，电源设备(pse)可以检测受电装置(pd)是否作为启动过程的一部分。图2a-b描绘了基于集成电路(ic-based)的以太网供电(poe)系统的电源设备(pse)部分的传统控制的方块示意图。

图2a描绘了基于集成电路(ic-based)的以太网供电(poe)系统，其包括经由以太网连接电耦合的电源设备(pse)201和受电装置(pd)203。在图2a的例子中，以太网连接被显示出为实现四个双绞线导体(包括两个通信端口)的rj-45连接器和5e类电缆(cat5e)。电源设备(pse)201包括被配置为产生电压信号的电压源205。电源设备(pse)201还包括电源设备(pse)控制器207，其基于受电装置(pd)203的动态需求执行电力管理功能。此外，电源设备(pse)控制器207检测并验证兼容的受电装置(pd)203，确定用于经验证的受电装置(pd)203的功率分类特征，向受电装置(pd)203供电、监控电力、并且当受电装置(pd)203的电力需求或要求减少时移除受电装置(pd)203的电力。受电装置(pd)203包括一对整流器209，每个整流器209在相应的端口处耦合到以太网连接。整流器209被配置为向受电装置(pd)203提供电压信号。受电装置(pd)203还包括受电装置(pd)控制器211，用以监控以太网供电(poe)配置的受电装置(pd)203侧上的电压和电流。受电装置(pd)控制器211还在初始化期间在返回路径上提供必要的阻抗特征。直流-直流(dc-dc)转换器213在负载被附接之前可以选择性的插入并根据需要降低电压以满足受电装置(pd)203的电压需求。

图2b显示了用于一个电源设备(pse)通道的输出控制电路的功能方块图。电源设备(pse)微控制器207提供闸极信号(控制讯号)以调变每个输出通道中的断路器mosfet(未显示)的阻抗。通过控制mosfet阻抗，每个通道的输出电压可以被量身订制以通过电源设备(pse)感测和控制电路215执行检测、分类、全功率应用和电力移除。电流和电压传感器分别为电源设备(pse)微控制器207提供连续的回馈信号，即isense和vsense，以根据ieee802.3af规范监督和执行电源管理。

以太网供电(poe)技术正在不断发展。在ieee802.3af规范中概述的受电装置(pd)功率限制对于一些新的应用而言已变得不足。下一代以太网供电(poe)应用将需要更多的电力来支持要求苛刻的功能，同时要求提高电力效率，努力实现更“绿能”并且能够降低成本。2016年初，美国能源部(doe)和欧盟(eu)行为准则(coc)分别正式颁布了能源部vi级和cocii级规定，以提高外部电源的平均效率(eps)并降低待机电压。对于基于主动/ieee802.3标准的以太网供电(poe)设备来说，美国能源部vi级和cocii级的待机电压很低。为了满足这些要求，以太网络供电(poe)设备的相关电路需要被关闭或移除，软件需要进入深度睡眠。因此，为了通过美国能源部vi级和欧盟cocii级待机要求，针对低待机功率以太网供电(poe)操作的电路架构做设计变更是需要被强调的。

技术实现要素：

一种用于以太网络供电具有低待机电压的电源设备(pse)控制器，其包括：一微控制器、一耦合至微控制器的检测及分类电路，用以检测一受电装置是否连接至上述电源设备控制器并确定操作上述受电装置所需的电力、一电力控制及监控电路耦合至上述微控制器，用以对上述的受电装置并且监控其耗电量。上述检测及分类电路、电力控制及监控电路可以分别被上述微控制器关闭电源以最小化待机电力消耗。如果没有受电装置被连接，上述微控制器可以进入深度睡眠状态；如果受电装置被连接，上述微控制器可以从深度睡眠状态中被唤醒。

上述的微控制器是集成电路、微处理器或任何类型的数字可编程设备。

上述的电力控制及监控电路耦合到电子控制开关，利用发送来自微控制器的控制信号通过控制电子控制开关的开/关状态驱动受电装置或从受电装置移除电力。

上述的微控制器使用电压或电流来查验上述电源设备(pse)的输出以确定是否连接了受电装置。

上述的电子控制开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

一种为供电设备(pse)提供待机电力的控制的方法包括：提供微控制器、提供检测及分类电路、提供电力控制及监控电路、接通耦合到电源设备的电源、关闭功率控制和监控电路、开启检测及分类电路并持续第一时间段；在上述检测及分类电路检测到受电设备的情况下，检查受电设备是否耦合，如果受电设备耦合则关闭检测及分类电路，启动电力控制和监控电路来给受电装置供电，在检测及分类电路未检测到受电设备的情况下，关闭上述检测及分类电路，使微控制器进入睡眠状态，在第二时间段之后唤醒微控制器。

在检测及分类电路检测到受电设备的情况下，还包括以下步骤：检测及分类电路检查耦合受电装置的特征电阻值是否在预定范围内，如果特征电阻值在预定范围内，则由检测及分类电路继续进行耦合受电装置的类别检测。

附图说明

本发明的组件，特征和优点可以通过说明书中所概述的较佳实施例的详细描述和附图来理解：

图1a描绘了根据现有技术用于从一端点电源设备(pse)进行远程供电的第一替代配置的传统以太网络供电(poe)系统的功能方块图。

图1b描绘了根据现有技术用于从一端点电源设备(pse)进行远程供电的第二替代配置的传统以太网络供电(poe)系统的功能方块图。

图1c描绘了根据现有技术用于从一中跨电源设备(midspanpse)进行远程供电的第一替代配置的传统以太网络供电(poe)系统的功能方块图。

图2a描绘一根据现有技术的基于集成电路配置用于控制来自电源设备(pse)的电力。

图2b描绘了根据现有技术的以太网络供电(poe)系统的电源设备(pse)部分的功能方块图。

图3描绘了根据本发明实施例的用于控制来自电源设备(pse)的功率的功能方块图。

图4描绘了根据本发明实施例用于以太网络供电(poe)操作的待机功率的状态控制流程图。

主要组件符号说明：

3交换机或集线器3a交换机或集线器3b交换机或集线器

5集成电源设备(pse)7a中心抽头变压器7b中心抽头变压器

7c中心抽头变压器7d中心抽头变压器9a携带数据的以太网双绞线

9b携带数据的以太网双绞线9c非数据承载的以太网双绞线

9d非数据承载的以太网双绞线

10数据电信网络11电力终端站13受电装置

15集成电源设备(pse)17a中心抽头变压器17b中心抽头变压器

17c中心抽头变压器17d中心抽头变压器19a携带数据的以太网双绞线

19b携带数据的以太网双绞线19c非数据承载的以太网双绞线

19d非数据承载的以太网双绞线

20数据电信网络25集成电源设备(pse)27a中心抽头变压器

27c中心抽头变压器27c中心抽头变压器27d中心抽头变压器

29a-1携带数据的以太网双绞线29b-1携带数据的以太网双绞线29a-2携带数据的以太网双绞线

29b-2携带数据的以太网双绞线29c-1非数据承载的以太网双绞线29c-2非数据承载的以太网双绞线

23受电装置33受电装置31中跨电力插入设备

201电源设备(pse)203受电装置205电压源

207电源设备(pse)控制器207整流器211受电装置控制器

213直流-直流转换器215电源设备(pse)感测和控制电路300电源设备(pse)

301微控制器303检测及分类电路

305电力控制及监控电路

307电子控制开关309感测电阻器313发光二极管指示(ledg/r)电路

3115v-电压调节电路401步骤403步骤

405步骤407步骤409步骤

411步骤413步骤415步骤

417步骤419步骤421步骤

423步骤425步骤

具体实施方式

现在将更详细地描述本发明的一些较佳实施例。然而，应该认识到，提供本发明的较佳实施例是为了说明而不是限制本发明。另外，除了明确描述的那些实施例之外，本发明还可以在广泛的其他实施例中实施，除非在所附权利要求中指定，否则本发明的范围不受明确限制。

通常，电源设备(pse)通过诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的电子控制开关将来自外部电源的电力施加到以太网电缆。电源设备(pse)的主要功能是在链结中搜索请求电源的受电装置(pd)，可选择的对受电装置(pd)进行分类，如果检测到受电装置(pd)，则向链结供电、监视链结上的电源、并在不再请求供电或不再需要供电时断开电源。通过呈现由ieee802.3af标准定义的以太网络供电(poe)检测特征，一受电装置(pd)参与受电装置(pd)检测过程。如果检测特征有效，则受电装置(pd)有向电源设备(pse)呈现分类特征的选项，以指示在通电时将需求多少电力。

在以太网络路供电(poe)系统中，电源设备(pse)被配置成通过确定有效特征电阻来检测受电装置(pd)，并且通过两个或更多个双绞线对来供电。执行电源设备(pse)的关键技术是电源管理和以太网络供电(poe)供应过程。电源设备(pse)是以太网络供电(poe)进程的管理者，负责控制下文所描述的以太网络供电(poe)进程。因此，它保有以太网络供电(poe)的“智能”，因此需要一中央处理单元(centralprocessingunit；cpu)来控制以太网络供电(poe)的进程，而其他模拟组件则进行开关、感测和电源过滤等活动。

在开始时，在端口的输出，即阶段(1)，仅感应小的电压位准，直到在检测时段期间检测到一有效的受电装置(pd)。电源设备(pse)可以选择执行分类(阶段(2))，以估计上述受电装置(pd)所消耗的电力。经过一时间控制的启动(阶段(3))后，电源设备(pse)开始向受电装置(pd)(阶段(4))提供直流48伏特(48vdc)电压位准，直至其物理性或电性断开(阶段(5))。断开连接后，关闭电压和电源。由于消耗超载、短路、功率不足和其他情况，几个事件可能会于半途终止上述过程，再从阶段(1)重新开始。

由于电源设备(pse)负责以太网络供电(poe)过程时序，因此它是在操作受电装置(pd)之前产生检测信号并监控操作期间可能发生的各种情况的那个设备。所有感测都可以使用电压感应和电流测量来完成。在通电之前，基于安全要求，必须将有效的受电装置(pd)连接到电源设备(pse)的输出。这个过程被称为“线路检测”，并且涉及电源设备(pse)寻找特定的25千欧姆(25-kω)特征电阻。在实际操作中，测得的电阻值落在阈值之间，例如在17和29kω之间、或者在19和26.5kω之间。检测到此特征电阻表明有效的受电装置(pd)已连接，并且可能开始向设备供电。

图3显示根据本发明实施例的用于控制来自电源设备(pse)300的功率的功能方块图，其包括微控制器301、检测及分类电路303、电力控制及监控电路305、电子控制开关307、感测电阻309、5v电压调节器311和发光二极管指示(ledg/r)电路313。电源输入的负极引线(-)耦合到微控制器301、耦合到5v电压调节器311并且耦合到感测电阻器309的第一端，并且定义出一节点ref.gnd(-)。感测电阻器309的另一端耦合到电子控制开关307。电源的正极引线(+)耦合到5v电压调节器311、耦合到检测及分类电路303以及电力控制和监控电路305，并定义出节点pgnd(+)/output(+)。输出(-)节点耦合到检测及分类电路303、功率控制和监测电路305以及电子控制开关307。一有效的受电装置(pd)可以经由跨节点输出(+)和输出(-)耦合。

电源设备(pse)300可以经由输入(+)和输入(-)节点从耦合到pse的外部电源接收电力，并且通过输出(+)和输出(-)节点将其传送到相连的受电装置(pd)。

微控制器301被配置为耦合至电源、至5v电压调节器311、至发光二极管指示(ledg/r)电路313、至检测及分类电路303以及电力控制和监控电路305。

在一个较佳实施例中，微控制器301可以包含以太网络供电(poe)状态机(statemachine)，例如用于检测/分类的控制逻辑、用于电子控制开关即mosfet的闸极驱动器、模式控制和电源正常逻辑(powergoodlogic)等，其中包括多个比较器、模拟-数字转换器(analogtodigitalconverter)和多功器(multiplexers)，用于执行前面提到的过程。

电源可以是耦合到电源设备(pse)电路的开关电源(switchedmodepowersupply；smps)，为微控制器301的内部电路提供直流电压，并具有从检测/分类电路303中移除直流电压的能力，功率控制和监控电路305将功耗最小化。开关电源(smps)耦合至一外部电压源，其中开关电源(smps)调节上述电压源以提供电压至复数个模拟-数字转换器、分类模块、多功器(multiplexers)或微控制核心(microcontrollercore)的至少其中一个。

检测及分类电路303耦合到微控制器301、输入(+)节点、输出(+)和输出(-)节点。当受电装置(pd)耦合到以太网络供电(poe)标准规定的输出(即输出(+)和输出(-)节点)时，微控制器301可以通过检测及分类电路303执行受电装置(pd)检测和分类操作。

在其中一个较佳实施例中，检测及分类电路包含受电设备(pd)检测模块、分类模块和检测及分类模块选择装置。受电设备检测模块可以是负载检测器，分类模块可以包含电流限制电路，例如折返电流限制电路(fold-backcurrentlimitcircuit)。

在开始时，检测及分类电路303可以由微控制器301激活(启用)，以通过于检测及分类(检测/分类)功能之间选择一个模式选择控制(检测/分类选择)来启动受电装置(pd)检测。可以通过施加特定的电流位准(currentlevel)，然后测量结果电压来验证受电装置(pd)检测，反之亦然，以区分有效的受电装置(pd)特征、无效设备、开路负载和短路。

在后续步骤中，微控制器301可以通过模式选择控制(检测/分类选择)在检测和分类功能(检测/分类)之间选择分类模式。电源设备(pse)300通过测量给定分类参考电压的分类电流来确定耦合受电装置(pd)的功率分类特征。

在完成耦合的受电装置(pd)的检测/分类之后，电力控制及监控电路305可以由微控制器301激活(启用)，以通过具有限流值对应至分类结果的电子控制开关307接通(端口开启(porton)命令)来给受电装置(pd)供电。如果输出电流限制超过阈值一段时间，则通过关闭(端口关闭(portoff)命令)电子控制开关307来关闭输出。在一个较佳实施例中，电力控制和监控电路305可以包含一驱动器，用于控制电子控制开关307的开启/关闭(on/off)状态、一电流感测电路，用于通过负载电流感测(负载电流感测(loadcurrentsense))命令来测量流经耦合到电子控制开关307的感测电阻器309的电流。在将电力施加到pd之后，由微控制器301持续监视负载，以确保其保持在指定的电流、电压和时间范围内。如果检测到超出范围级别，则断开电源。一旦受电装置(pd)断开电源，它将一直处于关闭状态，直到电源设备(pse)300完成检测过程并验证兼容的受电装置(pd)已连接。微控制器301可以通过加载经过耦合到电子控制开关307的电阻器309的电流感测(负载电流感测命令)，经由电力控制和监控电路305通过连续监测输出电压(输出电压命令)来执行端口过载、端口浪涌(portinrush)和短路保护，来执行受电装置(pd)的功率/电力监测。

发光二极管指示(ledg/r)电路313是一端口状态led驱动器，其可以指示由5v电压调节电路311供电的不同端口连接条件的状态。在其中一个较佳实施例中，5v电压调节电路可以是提供5伏特直流的齐纳控制晶体管(zenercontroltransistor)串联电压调节器。微控制器301可以控制内部的端口状态led驱动器，以通过启动单个led(绿色或红色led)的开启/关闭或启动led照明模式来通知客户端口状态，例如端口连接到受电装置(pd)并且通电、或端口未连接、或端口连接到无电设备或端口不通电。微控制器301还包含内部方波、脉宽调制(pwm)信号产生器。在一个较佳实施例中，微控制器301在功率(电力)控制期间(通过发光二极管指示(ledg/r)电路313，即led指示器)利用脉宽调制(pwm)方法用于led指示器亮度。(i)当电源设备(pse)的输出功率(或电流)较低时，led变暗，脉宽调制(pwm)的占空比(dutycycle)设置为低，以节省电力并在低电源设备(pse)输出功率时提高效率。(ii)当电源设备(pse)的输出功率(或电流)高时，led亮，pwm的占空比(dutycycle)设置为高。(iii)通过监控电源设备(pse)的输出功率(或电流)，led光强度可以由微控制器301控制。

在电源设备(pse)操作期间，微控制器301的核心可以进入休眠状态，耦合的检测及分类电路303以及电力控制及监控电路305可以由微控制器301单独关闭以降低功耗。例如，分立解决方案(discretesolution)将电路开路以降低总体功耗，并且使韧体(firmware；fw)进入深度睡眠状态，只需用低电压或低电流信号调节输出，以查看是否连接了负载(受电装置(pd))。

图4显示根据本发明实施例中经由硬件控制用于以太网络供电(poe)操作的待机电力状态控制流程图。在无负载/待机期间，加载电源设备(pse)集成电路(integratedcircuit；ic)或分立解决方案(discretesolution)，即图3所示的电路，该电路会关闭部分电路以降低功耗。分立解决方案(discretesolution)将电路开路以降低总体功耗，韧体(firmware；fw)并行进入深度睡眠，只需用低电压或低电流特征对输出进行测试，以查看负载是否连接受电装置(pd)。

如下公开了一种为电源设备(pse)提供待机功率控制的方法，在步骤401中开启以太网络供电(poe)系統的电力，在步骤403中关闭输出电路控制及监控电路(在图3中表示为305)，在步骤405开启以太网络供电(poe)系統特征电阻检测及分类电路(在图3，表示为303)持续10ms。在步骤407中，如果没有探测到耦合受电装置(pd)的特征电阻(rsig)，则进入步骤409，在步骤409关闭以太网络供电(poe)系統特征电阻检测及分类电路(在图3中表示为303)，微控制器(图3中的301所示)进入睡眠状态，然后进入步骤411。在步骤411中，经过4秒睡眠超时后唤醒微控制器(在图3，表示为301)然后返回到步骤405。如果探测到耦合的受电装置(pd)的特征电阻rsig，则前进到步骤413，在步骤413中检查耦合的受电装置(pd)的特征电阻值rsig持续大约400ms。在步骤415中，如果耦合的受电装置(pd)的特征电阻值rsig不是25kω，则在实际情况下，测得的电阻落在阈值之外，例如在17和29kω之间或19和26.5kω之间的值之外，受电装置(pd)被认为未连接，然后返回到步骤409。如果耦合受电装置(pd)的特征电阻为25kω，例如在实际情况下在17和29kω之间或19和26.5kω之间，则认为受电装置(pd)已连接，然后进入步骤417。在步骤417开始检测耦合受电装置(pd)的类别，持续大约100-200ms以确定耦合受电装置(pd)的类别，然后进行步骤419。在步骤419中检查耦合的受电装置(pd)的类别。如果耦合受电装置(pd)的类别不符规范，则返回到步骤409。如果耦合受电装置(pd)的类别符合规范，则进入步骤421，在步骤421关闭以太网络供电(poe)特征电阻检测及分类电路(在图3，表示为303)，开启以太网络供电(poe)输出电力控制和监控电路(在图3，表示为305)，开启电源，然后进行到步骤423。在步骤423检查以太网络供电(poe)系统的电力。如果以太网络供电(poe)系统的电力正常，则返回到步骤421。如果以太网络供电(poe)系统的电力不正常，则前进到步骤425。在步骤425中，关闭电源，关闭以太网络供电(poe)系统输出电力控制和监控电路(在图3，表示为305)，然后返回到步骤405。

如本领域技术人员可以理解的，本发明的前述较佳实施例是用以说明本发明而非限制本发明。其中已经结合较佳实施例描述了本发明，将对本领域技术人员提出修改。因此，本发明不限于该实施例所描述的技术内容，而是本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和类似布置，其范围应该被赋予最宽的解释，由此涵盖所有这些修改和类似的结构。其上虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但应该理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。