用于组合的以太网供电系统的极性校正桥控制器的制造方法
【专利摘要】本申请涉及用于组合的以太网供电系统的极性校正桥控制器。一种在使用以太网供电(PoE)的被供电的设备(PD)中用于组合向负载供电的功率的系统，经由四对接线接收来自第一信道的功率和来自第二信道的功率。初始地不启用用于每个信道的MOSFET桥。桥控制器IC同时感测所有电压并且控制桥MOSFET。桥控制器IC也包含第一PoE握手电路。第二PoE握手电路在桥控制器IC外部并且独立地操作。在MOSFET桥中的体二极管初始地将第一信道耦合到第二PoE握手电路，同时隔离第二信道。第二握手电路然后将第一信道耦合到负载。第一握手电路然后为第二信道执行PoE握手程序。最终，桥控制器控制桥MOSFET以将两个信道耦合到负载。
【专利说明】用于组合的以太网供电系统的极性校正桥控制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及以太网供电(PoE)，其中功率是通过数据线传输的。
【背景技术】
[0002]已知通过数据线向功率远程设备发送功率。以太网供电(PoE)是一个这样的系统的示例。在PoE中，从以太网交换机向以太网连接设备(例如VoIP电话、WLAN发送器、安全摄像头等)发送有限功率。通过标准CAT-5电缆布线中的两组双绞线发送来自交换机的DC功率。相同两组双绞线也可以发送不同数据信号，因为DC共模电压未影响数据。以这一方式，可以消除为“被供电设备”(PD)提供任何外部功率源的需要。PoE的标准在IEEE802.3中阐述，其通过引用而结合于此。
[0003]通过数据线提供功率适用于其它现有系统和将来系统。IEEE或者其它团体可以标准化使用数据线供电的各种新系统。
[0004]虽然本发明可以应用于使用数据线供电的任何系统，但是将描述典型PoE系统作为示例。
[0005]图1代表使用PoE的典型以太网系统。在图1的示例中，“功率供应设备”(PSE) 12可以是向ro供应功率和数据的任何以太网设备。通常经由用标准以太网8管脚(四个双绞线)连接器端接的标准CAT-5线缆连接PSE12和H)14。通常需要双绞线中的仅两个双绞线用于PoE和数据，因此有两个备用双绞线。
[0006]PSE12通常由市电电压(120VAC)供电并且使用外部或者内部电压转换器16以生成在44-57伏特之间的DC电压。PoE标准要求PoE在供应最小37伏特。沿着线缆的电压降随距离增加。
[0007]分配双绞线中的两个双绞线18和20以输送PoE功率，并且这些双绞线也可以输送差分数据。也示出其余两个双绞线21和22。使用的所有双绞线在H)14由变压器、比如变压器23和24端接。假设接线18提供44伏特并且接线20连接到接地。与变压器23和24的中心抽头产生连接以向H)14提供44伏特。由于DC电压为共模，所以它未影响差分数据。在端接块25中也包括其它常规端接电路装置、比如极性校正电路装置和开关。
[0008]向DC-DC转换器26施加44伏特用于将电压转换成TO14需要的任何一个或者多个电压。负载28 (例如安全摄像头)由转换器26供电并且经由双绞线与PSE12通信。
[0009]IEEE标准需要在PSE12与TO14之间的某些低电流握手过程，以便检测由PoE供电的设备的存在，以便在PSE12使全功率可用于H)14之前传达PSE12和H)14的相关特征。检测/分类电路装置30执行程序并且提供分类脉冲。PSE12也包含用于控制握手程序的电路装置。
[0010]以下是在PSE12与roi4之间的握手协议的简化概述。
[0011]在向roi4中插入启用PoE的以太网线缆时，PSE12询问roi4以确定它是否启用PoE0这一时段称为检测阶段。在检测阶段期间，PSE12经由接线18和20向H)14施加第一电流有限电压持续固定间隔、然后施加第二电流有限电压持续固定间隔，同时通过检测所得电流来寻找H)14的特征阻抗(约25K欧姆)。如果未检测到正确阻抗，则PSE12假设负载未启用PoE并且关停PoE生成端。系统然后作为标准以太网连接来操作。
[0012]如果检测到签名阻抗，则PSE12继续可选分类阶段。PSE12使得供给TO14的电压上升。PSE12生成一个脉冲(指示它为类型1PSE)或者两个脉冲(指示它为类型2PSE)。H)14对具有某些电流电平的分类脉冲做出响应以标识H)14是否为类型I或者类型2。类型Iro需要少于13W。类型2ro需要高至最大25.5W。也可以标识这些类型内的各自与最大平均电流电平和最大瞬时电流电平关联的各种类(五类)。可以使用分类电阻。PSE12然后使用这一功率需求信息以确定它是否可以向roi4供应所需功率，并且roi4使用信息以确定它是否可以与PSE12进行全操作。有用于检测和分类阶段的最大时间窗(例如500ms)。
[0013]可以实施其它标准。
[0014]在完成检测和分类阶段时，PSE12使得它的输出电压上升至42V以上。一旦已经在roi4检测到欠电压封锁(UVLO)阈值，接通内部FET以将全电压耦合到DC-DC转换器26以向负载28供电。在这一点，PD14开始正常操作，并且它只要输入电压保持于所需电平以上就继续正常操作。
[0015]近来已经提出通过使用数据线18和20供应高至25.5W并且使用备用接线21和22供应高至25.5W经由四对接线18、20、21和22向供应高至5IW(或者更多)而仍然符合用于PoE握手的IEEE标准。
[0016]图2图示被Cisco Systems称为通用PoE或者UPoE的提出的系统。PSEl和PSE2可以是常规类型2PSE，并且各自供应高至25.5ff(并且在一些提出的系统中高至30W)。各自跨接它们的关联接线对44-47向单个TO50供应约44伏特。TO50使用常规8管脚以太网连接器。PSEl和PSE2可以位于相同以太网交换机51中，并且各自可以具有相同功率供应和检测/分类电路装置。PSEl和PSE2可以独立地操作并且无需相互通信。
[0017]用于两个信道中的每个信道的常规二极管桥极性校正电路52和53保证向负载56施加正确电压极性、比如在顶部端子的44伏特和在底部端子的零伏特。
[0018]常规PD接口控制器58和59——一个用于每个信道——提供检测电阻器60 (约25K欧姆)和可编程分类电流源61。在成功握手程序结束时，控制器58和60接通它们的相应MS0FET62和64以跨接负载56供应44伏特。负载56可以包括用于将44伏特转换成负载56需要的任何电压的DC-DC转换器。示出M0SFET62和64的体二极管。
[0019]在另一现有技术实施例中，M0SFET62和64与接地导体而不是正电压导体串联连接，以产生用于单个信道的负载电流回路。
[0020]控制器58和59以及PSE (PSEI和PSE2)独立地和并行地执行它们的检测和分类程序。由于假设PSEl和PSE2相同并且它们共享相同以太网线缆，所以假设PSEl和PSE2向H)50的输入供应的最终电压相同(例如44伏特)。
[0021]需要额外一组二极管66和68以防止来自第一信道(例如PSEl信道)的功率向第二信道(例如PSE2信道)中馈送。这允许一个信道的检测和分类参数未受另一信道影响。额外二极管66和68也允许“负电压”桥二极管接通，因为如果不这样来自一个信道的接地电压将在M0SFET62或者64之一接通之后在另一信道中的“负电压”桥二极管的正极，从而防止那些“负电压” 二极管变成正向偏压。
[0022]一旦已经接通M0SFET62和64，向负载56并行供应来自PSEl和PSE2的功率。这通常高至51w、但是可以高至60w。
[0023]因而在图2的UPoE系统中，在每个信道的功率回路中有三个二极管压降，从而在约51w的最大负载功率引起共计约2.5w的浪费功率。图2的系统中存在其它缺点。
[0024]需要的是一种用于用比现有技术更高的效率组合来自两个PSE信道的功率的系统。
【发明内容】
[0025]PoE桥控制器IC控制MOSFET桥用于两个PSE信道(PSE1信道和PSE2信道)的极性校正。通常，单个以太网交换机提供PSE信道，并且可以提供多得多的信道。MOSFET桥将来自两个信道的功率耦合到单个负载。如果PSE各自供应25.5W的类型2功率，则向负载施加的最大功率因此可以是51W。更高功率是可能的。使用单个ro接口控制器1C。跨接接通的MOSFET的电压降比正向偏压的二极管的电压降少得多，因此有提高的效率。
[0026]PSEl和PSE2信道连接到桥控制器1C，从而桥控制器IC同时检测来自两个信道的电压和跨接负载的电压。如以下描述的那样，控制技术防止一个信道干扰另一信道的检测和分类，并且允许恰当电压极性耦合而未使用任何阻塞二极管。
[0027]将假设PSEl信道将首先连接到负载。具有包括PSEl和PSE2信道的多个端口的以太网交换机通常逐个端口依次执行PoE握手程序。
[0028]PSEl信道为握手阶段提供的电流有限电压由组成如下MOSFET的体二极管校正极性(如果需要)，这些MOSFET组成用于PSEl信道的MOSFET桥。在这一阶段期间不启用用于PSEl信道和PSE2信道的桥M0SFET，并且桥控制器IC未汲取显著电流。因此，桥控制器IC未干扰用于PSEl信道的握手。正向偏压体二极管将来自PSEl信道的电压耦合到ro接口控制器(通常为单独1C)。
[0029]PD接口控制器然后为PSEl信道执行常规检测和分类。如果检测到PSEl信道未提供恰当PoE信号，则接口控制器未闭合与负载串联的M0SFET，从而PSEl信道功率路径保持从负载隔离。如果PoE握手程序成功，则接口控制器闭合串联MOSFET以将PSEl信道功率连接到负载。负载现在可以从PSEl信道接收高至25.5W。典型地，I3D接口控制器然后从回路断开检测和分类电路装置。
[0030]从跨接负载由PSEI信道供应的电压向桥控制器IC供电。桥控制器IC例如通过检测跨接串联MOSFET的电压降来感测到PSEl信道已经连接到负载并且作为响应来闭合桥中的恰当MOSFET以增加效率。用于PSEl信道的MOSFET的体二极管因此不再导通。现在可以向负载高效地提供来自PSEl信道的全功率。
[0031]以太网交换机检测到来自PSEl信道的全电压在被供应并且为PSEl信道开始低功率PoE握手。桥控制器IC闭合桥控制器IC中的内部开关以将PSE2信道耦合到桥控制器IC中的检测和分类电路以执行常规PoE握手程序。桥控制器IC中的检测和分类电路装置由用于PSE2信道的“开路”桥MOSFET从更高负载电压隔离。
[0032]如果检测到PSE2信道未提供恰当PoE信号，则桥控制器IC未闭合用于PSE2信道的桥M0SFET，从而从负载隔离PSE2信道功率路径。如果PoE握手程序成功，则桥控制器IC检测系统中的各种电压以确定极性并且闭合桥中的恰当MOSFET以将PSE2信道功率连接到负载。桥控制器IC通过监视在闭合桥MOSFET之前和之后的各种电压电平来保证一个信道未向另一信道中供应功率。负载现在让PSEl和PSE2并行供应PoE。
[0033]术语PSE和ro贯穿本公开内容用来标识供应功率的设备和接收功率的设备，并且这样的设备/器件不限于以太网设备/器件。
[0034]描述各种其它实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1图示常规的启用PoE的以太网系统。
[0036]图2代表用于组合来自两个PSE信道的功率以向单个负载供电的已知UPoE系统。
[0037]图3图示根据本发明的一个实施例的用于组合来自两个PSE信道的功率以向单个ro负载供电的系统。
[0038]图4图示可以取代POE系统中的用于极性校正的二极管桥电路的任何公知有源桥电路。
[0039]图5图示图3的系统在对PSEl信道进行检测和分类时导通的电流。
[0040]图6图示图3的系统在PSEl信道耦合到负载之后导通的电流。
[0041]图7图示图3的系统在对PSE2信道进行检测和分类时导通的电流。
[0042]图8图示图3的系统在PSEl信道和PSE2信道二者耦合到负载之后导通的电流。
[0043]图9是标识根据本发明的一个实施例执行的步骤的流程图。
[0044]图10图示根据本发明的一个实施例的桥控制器IC中的各种功能单元。
[0045]用相同标号标注相同或者等效的要素。
【具体实施方式】
[0046]将参照图9的流程图描述发明电路的操作。
[0047]图3图示本发明的一个实施例，该实施例组合来自两个PSE信道的功率(使用常规以太网线缆中的数据接线和备用接线)以向单个ro负载供电。用于单个信道的“电压极性校正”二极管桥由MOSFET桥或者其它适当有源桥取代以最小化跨接桥的电压降。如以后讨论的那样，MOSFET桥也用来从负载电压隔离用于一个信道的检测和分类电路装置。
[0048]图4图示可以用于校正单个PSE信道供应的电压的极性的多个公知MOSFET桥69中的任何MOSFET桥。跨接输入端子70和71提供传入电压。控制电路72以公知方式使用比较器或者无源电路装置以如果检测到传入电压极性正确(向上输入端子70施加更高电压)则接通M0SFET74和75。如果检测到传入电压极性不恰当(向下输入端子71施加更高电压)，则接通M0SFET76和77。基本上，如果MOSFET的内部体二极管正向偏压，则应当接通MOSFET。已知使用这样的MOSFET桥用于校正PoE系统中的电压极性，因此无需进一步电路细节。
[0049]然而即使这样的MOSFET桥取代图2的每个桥二极管，仍然不能恰当接通M0SFET，因为在PSE信道之一耦合到负载之后，该电压将耦合到另一 MOSFET桥从而妨碍准确极性检测并且可能造成一个信道向另一信道中供应电流。另外，在无阻塞二极管时，一个信道也将干扰另一信道的检测和分类程序。在图2中，桥独立地操作，因此不知道另一信道中的电压。[0050]图3图示根据本发明的一个实施例的TO78。系统使用MOSFET桥用于两个信道PSEl和PSE2 (如图2中所示分别连接到接线44/45和46/47)中的每个信道，其中桥控制器IC80同时检测来自PSEl和PSE2的四个输入端子82-85上的电压。PSEl和PSE2可以是比如图2中所示常规PSE、因此无需被专门化用于与本发明的TO78操作。因此，本发明与常规PSE向后兼容。在该例中，PSEl和PSE2为类型2，各自在约44伏特提供高至25.5W的PoE。
[0051]将关于图5至图8描述系统的操作和构造。假设PSEl和PSE2信道为可能向其它ro提供多得多的信道的单个以太网交互级的端口。对于以太网交换机而言，逐个端口依次为各种信道执行PoE握手程序是方便的。因此在该例中假设PSEl信道将首先连接到负载86。
[0052]在图9的步骤I中，PSEl和PSE2信道由标准CAT-5线缆或者其它适当以太网线缆连接到桥控制器IC80。
[0053]在步骤2中，以太网交换机(可以是常规的)为PSEl信道启动PoE检测和分类(握手)程序
[0054]在步骤3中并且如图5中所示，正向偏压M0SFET90和92中的体二极管(假设正确极性)。这时关断所有桥M0SFET。因此保证恰当电压极性并且向I3D接口控制器98中的输入连接到PSEl信道。
[0055]在桥控制器IC80内部的检测电路99检测来自PSE信道(来自输入82_85)的四个电压以及跨接负载86的电压和其它信号，随后加以描述。
[0056]ro接口控制器98可以是常规ro接口控制器IC并且包含25K欧姆检测电阻器100和编程的电流源102，该电流源如先前描述的那样向PSEl供应电流脉冲(例如1-3个脉冲)以标识它的类。可以在分类过程中使用其它公知电路装置、比如使用分类电阻以汲取预定电流从而标识ro的功率需要。控制器98包含用于与以太网交换机结合执行常规PoE握手协议的逻辑。在图5中图示电流路径为电流104(图9的步骤4)。
[0057]一旦控制器98已经检测到PSEl信道满足对于类型2P0E的要求并且PSEl信道已经使得PoE电压上升超出欠电压封锁(UVLO)阈值，控制器98如图6中的电流107所示接通串联M0SFET106以跨接TO负载86耦合PEl信道(图9中的步骤5和6)。示出M0SFET106体二极管。负载96可以是将由PoE供电的任何器件。因而，负载86由PSEl信道供应高至25.5W。I3D接口控制器98现在可以断开检测电阻器100和电流源102。负载96将通常包含DC-DC转换器，该转换器从信道接收电压、比如44伏特并且将电压转换成负载85需要的调节电压(例如5伏特)。在转换器的输出电压满足某个阈值时，转换器可以发出功率良好信号，该信号向负载86指示负载86现在可以正常地操作。
[0058]如果PoE握手程序未成功、比如未感测到有效检测电阻器，则控制器98使得MOSFET106保持开路，因此从负载86隔离PSEl功率路径(图9中的步骤7)。
[0059]桥控制器IC80检测到PSEl信道连接到负载86而不是仍然经受检测和分类。这可以通过检测电路99检测跨接端子108和109的电压或者阻抗或者通过检测指示PSEl信道已经连接到负载86的另一信号来完成。在一个实施例中，检测跨接M0SFET106的电压。如果电压降为低，则它表示PSEl信道耦合到负载86。检测电路99也可以被连接用于从TO78中的DC-DC转换器接收功率良好信号，该信号指示转换器的输出电压在某个阈值以上。
[0060]在检测到PSEl信道连接到负载86时，桥控制器80检测向控制器IC80的输入端子82和84施加的电压的极性(图9的步骤8)。这可以通过使用常规技术比较电压来完成。为了简化而未示出这样的常规极性检测电路装置。如果在输入端子82的电压高于在端子84的电压，则如图6中的电流107的流动所示接通M0SFET90和92。如果相反为真，则接通M0SFET94和96。因此，在高功率阶段期间，在回路中无二极管压降，并且桥MOSFET使得效率最大化。
[0061]从跨接负载86由PSEl信道供应的电压向桥控制器IC80供电，并且可以经由输入端子108和109向桥控制器IC80供电。
[0062]标题为Providing Power to Powered Device Having Multiple Power SupplyInputs, Jeffrey Heath等人的美国
【发明者】迈克尔·保罗 申请人:凌力尔特公司