具有冗余电力连接的数据线供电系统的制作方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张大卫·m.德维尔利(davidm.dwelley)等人在2016年4月20日申请的美国临时申请案第62/325,364号的优先权，其以引用的方式并入本文中。

本发明涉及例如以太网供电(poe)和数据线供电(podl)的系统，其中dc电力经由差分数据线发射，且在将全电压施加至数据线之前执行例程。本发明更具体涉及一种互连的供电设备(pse)和受电装置(pd)的系统，其使用冗余电力和数据路径来改进系统的可靠性。

背景技术：

已知经由数据线发射电力来给远端设备供电。以太网供电(poe)是一个这种系统的实例。在poe中，将受限电力从以太网交换机发射到以太网连接设备(例如，voip电话、wlan发射器、保安摄像机等)。来自以太网交换机的dc电力是经由标准cat-5电缆中的两组双绞线发射。所述相同两组双绞线也可传导差分数据信号，因为dc共模电压不影响数据。以此方式，可免除需要提供受电装置(pd)的任何外部电源。poe的标准规定于ieee802.3中，其以引用的方式并入本文中。cat-5电缆具有四个绞线对，且通常不使用导线对中的两个。

更近期的发展被称作数据线供电(podl)，其中仅一个绞线对携载差分以太网数据和dc电力。这样一种系统也使用pse和pd。podl由于所需的最少接线而对汽车而言特别有吸引力。任何电子装置可由podl系统供电。通过汽车中的绞线对发射的dc电压将通常为12伏。ieee已开发出针对podl的802.3bu标准。

在poe和podl两者中，存在在将全dc电压施加至导线之前执行的低功率检测阶段。检测阶段查找来自pd的指示pd兼容poe或podl的特征。检测阶段之后也可能存在低功率分类阶段，其中传达pd的功率要求。pse接着在其确定其可供应所需电力后，通过闭合耦合在电源与导线之间的开关而供应全dc电压。可购得用于poe的控制器ic，其执行各种例程，闭合开关来将全dc电压施加至导线，且检测故障。

虽然poe和podl由于从pse通向每个pd的减少的接线而有利地用于汽车(和其它应用)中，但是将期望进一步减少所需接线，同时改进可靠性。

技术实现要素：

在一个实施方案中，受电数据通信系统被假设为podl系统。全dc电压经由dc耦合电感器耦合到导线，且所有phy(用于处理差分以太网数据的物理层装置)经由串联电容器ac耦合到导线。dc电压经由开关(例如mosfet)选择性地耦合到导线。

主控pse从电源(例如汽车的电池)接收dc电压。主控pse具有用于连接到第一绞线对的第一端口，且具有用于连接到第二绞线对的第二端口。从属pd的串联环包含耦合到主控pse的第一端口的末端从属pd，且具有耦合到主控pse的第二端口的另一个末端从属pd。每个从属pd具有相同的端口对，其中每个端口可发送或接收数据和dc电力。一个端口耦合到上游从属pd，且另一个端口耦合到下游从属pd。

在一个实施方案中，假设系统在无任何故障的情况下运行，且dc电力绕从属pd的环在顺时针方向上流动，主控pse针对连接到主控pse的第一端口的“右”末端从属pd执行低功率检测例程。如果检测到特征，那么主控pse选择“右”开关来将全dc电压连接到“右”末端从属pd。从属pd接着通电，且接着也针对其相邻从属pd运行检测例程。如果检测到特征，那么“右”末端从属pd闭合其开关以将全dc电压耦合到所述相邻从属pd。针对环中的所有从属pd执行这个依序检测和通电过程，直至它们都通电为止。有效地，每个从属pd作为pd和pse运行，因为它在执行检测例程，且仅在下游从属pd已传达正确特征后闭合其开关。特征可为跨导线的25k欧姆电阻。依据所牵涉的从属pd的数量，针对所有从属pd的整个检测和启动过程可为一秒至几秒的数量级。

“左”末端从属pd与主控pse相邻，且连接到其第二端口。“左”末端从属pd是最后一个通电的，且它在主控pse的第二端口处对主控pse执行检测例程，之后将dc电压耦合到通向主控pse的第二端口的导线。以此方式，主控pse也充当pd，因为它也将特征(例如，25k欧姆)提供到相邻从属pd以允许从属pd知道将dc电压耦合到主控pse的第二端口。

主控pse接着检测其第二端口处的dc电压的存在并且知道沿着环不存在故障。系统接着以正常方式运行。

如果沿着环存在断路或短路，那么主控pse在规定时间内将不在其第二端口处接收dc电压，并且将接着供应电力到其第一端口和第二端口，使得在顺时针方向和逆时针方向上依序将dc电压施加至从属pd。由于从属pd和主控pse的每个具有两组相同端口，因此dc电力和数据可沿着环在任一方向上流动。

如果在环中的两个从属pd之间存在短路或断路，那么检测例程将失效，且执行检测例程的从属pd将保持其开关断开，使得无dc电压耦合到故障接线。类似地，故障导线的另一侧上的从属pd将通过来自另一方向的dc电压通电，并且也将针对相邻下游从属pd执行检测例程。这个检测例程也将失效，且从属pc将保持其开关断开，从而不供应dc电压到故障导线。以此方式，通过从属pd的断开开关在从属pc之间隔离故障，且以顺时针和逆时针方式将dc电力提供到所有从属pd。

在相关实施方案中，pd未连接成环，而是串联连接在第一主控pse与第二主控pse之间。过程类似于上述过程，其中第一主控pse在一个方向上将dc电压供应到所有从属pd。每个从属pd在将dc电压耦合到下游从属pd之前执行检测例程。如果第二主控pse检测到已依序将dc电压施加到所有从属pd，那么系统正常运行。如果第二主控pse在规定时间内未检测到已将dc电压施加到所有从属pd，那么其将接着在执行检测例程后将dc电压供应到其相邻从属pd。以此方式，导线故障在两个从属pd之间隔离，而所有从属pd仍由来自两个方向的任一个的dc电压供电。

本发明可应用于poe系统、podl系统和其它相关系统。

附图说明

图1说明连接到从属pd/pse环的主控pd/pse，其中不存在故障，且在每个从属pd/pse执行检测例程并且闭合开关以将dc电压耦合到下游从属pd/pse之后在顺时针方向上依序将dc电压施加到所有从属pd/pse。

图2说明图1的系统，其中存在导线故障，且主控pd/pse在顺时针方向和逆时针方向上供应dc电压，使得所有从属pd/pse被供电，且故障段通过断开开关隔离。

图3a和3b是分别描述正常运行期间和当存在导线故障时图1和2的系统的运行的流程图。

图4说明具有实质上作为彼此的镜像的两个端口的单一从属pd/pse的实例，其中从属pd/pse控制器ic针对任一个端口执行检测例程，并且控制mosfet开关来将dc电压耦合到耦合到任一个端口的导线。

图5说明图4中的从属pd/pse控制器ic中的特定功能块。

图6说明主控pd/pse的实例，其类似于从属pd/pse，除它从外部源(例如，电池)而非经由绞线对接收dc电力外。

图7说明本发明的另一个实施方案，其中从属pd/pse连接在两个主控pse之间。

图8说明图7的系统，但是其中在两个从属pd/pse之间存在导线故障。

图9a和9b是分别描述正常运行期间和当存在导线故障时图7和8的系统的运行的流程图。

相同或等效的元件用相同数字标注。

具体实施方式

图1和2说明根据本发明的一个实施方案的podl系统。将参考图3a和3b的流程图描述由图1和2的系统执行的方法。术语“pd/pse”或“pse/pd”的使用传达当不存在导线故障且绕环以顺时针方式依序施加dc电压时，每个装置的一侧(pd侧)从上游装置接收电力，且每个装置的另一侧(pse侧)输送dc电力到下游装置。

在图1中，图6中更详细示出的主控pd/pse12接收来自电压源14的电压。电压源14可为电池。主控pd/pse12具有第一端口16和第二端口18。每个端口包括用于绞线对20中的第一导线的第一端子和用于导线对20中的第二导线的第二端子。导线对20携载全双工差分以太网数据以及来自电压源14的dc电压。如将在下文详细描述，主控pd/pse12和从属pd/pse使用ac耦合/解耦和dc耦合/解耦组件以来回于导线对20耦合和解耦ac数据和dc电压。主控pd/pse12可额外经由主控pd/pse12中的dc/dc转换器将来自外部电压源14的dc电压转换成更合适电压用于在导线对20上发射。

从属pd/pse被标注为#1到#n，且类似于主控pd/pse12，除它们仅经由导线对20接收其电力外。图4中示出从属pd/pse的细节。每个从属pd/pse具有两个相同端口，其中依据数据和dc电压的方向，一个端口在导线对20上从相邻从属pd/pse(或主控pd/pse12)接收ac和dc信号，且另一端口将ac和dc信号转发到其另一相邻从属pd/pse(或主控pd/pse12)。

每个从属pd/pse和主控pd/pse12具有耦合到导线的两个可单独控制混合pse/pd接口。当被配置为pse接口时，混合接口之一可经由左侧开关将dc电压提供到左侧相邻从属pd/pse，而另一个混合接口可被配置为pd以经由右侧开关从右侧相邻从属pd/pse接收dc电压。这允许主控pd/pse12和从属pd/pse确定dc电压是在顺时针方向还是在逆时针方向上绕从属pd/pse环行进(在导线故障的情况下)。

在描述由图1的系统执行的方法之前，将参考图4到6描述从属pd/pse和主控pd/pse12的额外细节。

图4说明从属pd/pse#1到#n的任一个。左端口16和右端口18连接到导线对20(图1)区段，所述区段连接到相邻从属pd/pse或主控pd/pse12的端口。左侧电路和右侧电路是相同的，且描述将主要描述左侧电路以避免赘述。

标称为25k欧姆的跨导线对20连接的特征电阻器(未示出)可在端口16和18处。由相邻从属pd/pse或主控pd/pse12在执行信号交换例程来检测相邻装置是否podl兼容时检测这个特征电阻。信号交换例程包含低功率例程，其检测是否存在约25k欧姆的指定范围内的特征阻抗。这样一种检测例程是众所周知的且可类似于由ieee建立的针对poe的检测例程。信号交换例程也可执行低功率分类例程，其可检测从属pd/pse的所需功率使用和其它特性。这样一种分类可由跨导线的特定组件(未示出)传达，例如其值传达运行特性的齐纳二极管或其它组件。本发明设想且无需其它检测和分类技术。

从属pd/pse控制器26可为ic，所述ic使用经编程微处理器或经编程固件(例如状态机)执行各种例程。

如果相邻从属pd/pse或主控pd/pse发射数据和dc信号，那么匹配的ac耦合电容器28对仅将差分以太网数据传递到phy30，且数据由含有微控制器以及媒体访问控制器的从属pd/pse中的数据处理单元34处理。数据处理单元34可为常规的。导线对上的dc电压经由一对匹配的电感器36dc耦合到从属pd/pse控制器26的输入和从属pd/pse负载35的其余部分(包含数据处理单元34)。pd/pse控制器26被示为包含从属pse/pd模式选择控制器37和左和右pse/pd混合接口38。

低功率信号交换例程和导线对上的dc电压的检测是经由绕过开关40的导体39执行。

假设从属pd/pse将从其右侧相邻从属pd/pse或主控pd/pse12接收dc电力，从属pd/pse控制器26(经由导体42)感测到导线对上的dc电压高于阈值并且闭合其右侧开关44。从属pd/pse现通电并且针对左侧相邻从属pd/pse执行信号交换例程。当从属pd/pse在信号交换例程后已确定左侧从属pd/pse是podl兼容的时，从属pd/pse闭合左侧开关40以将dc电压转发到导线对20以使左侧相邻从属pd/pse通电。本质上，开关40和44的闭合经由电感器36将左导线对20连接到右导线对20。pse/pd混合接口38的pse输出端口经由开关40/44的任一个接收dc电压用于从任一侧给所有从属电路供电。pse/pd混合接口38的pd输出端口经由相关联开关40或44将来自一侧的输入dc电压耦合到另一侧上的导线对20。用于poe的pd和pse控制器是众所周知的，且使poe控制器软件和硬件适于执行podl例程可由本领域技术人员容易地完成。

常规的媒体独立接口(mdi)将导线对耦合到从属pd/pse。

由于左侧电路和右侧电路是相同的，所以从属pd/pse可从任一侧接收dc电力，并且依据依序通电针对所述特定从属pd/pse是顺时针还是逆时针而将dc电力转发到任一侧上的从属pd/pse。

图5说明从属pd/pse控制器26中的各种功能单元。通过dc/dc转换器50将由导线对供应的标称12伏(假设汽车应用)转换成用于从属pd/pse负载的适当电压。经编程微处理器52或固件装置执行各种例程并且控制各种开关。检测器/驱动器54包括用于检测输入信号并且控制开关的各种组件。检测器/驱动器54也可检测电流并且如果电流超过阈值(指示故障)，那么使用pse/pd混合接口38中的状态端口处的控制信号关闭开关40/44。开关40和44可在控制器26ic内部或外部。

主控pd/pse12示于图6中并且可类似于从属pd/pse，除其软件外以及除主控pd/pse12是由连接到主控pd/pse12的电力输入端子的外部dc电压源14供电，而非经由导线对20供电外。因此，用于识别从属pd/pse的组件的相同编号也用于识别主控pd/pse12中的类似组件。主控pd/pse12起始给环中的所有从属pd/pse供电的依序过程。主控pd/pse控制器58可类似于图5的从属pd/pse控制器26，除软件外。

在图1的实例中，假设不存在导线故障(例如，绕环的导线对20中无短路或断路导线)。主控pd/pse12内的主控控制器中的软件(或固件)确定dc电压应在顺时针方向上绕环传播，并且因此闭合“右侧”开关44(图6)以仅在主控pd/pse12与右侧相邻从属pd/pse#1之间的导线对20上供应dc电压。在图6中，pse/pd混合接口38的pse输入端口耦合到其相关联导线对20。开关40或44的闭合将电压源14连接到左侧或右侧导线对20或这两者。

图3a的流程图描述当不存在导线故障时的方法。在图3a的步骤60中，主控pd/pse12接收来自dc电压源14的电压并且通电。

在步骤62中，假设从属pd/pse进行顺时针依序通电，主控pd/pse12针对右侧相邻从属pd/pse#1经由导线对20执行低功率检测例程(和可选地分类例程)。替代地，主控pd/pse12可起始逆时针从属pd/pse通电例程。在检测阶段期间，主控pd/pse12经由绞线对20施加第一电流限制电压到从属pd/pse#1达固定间隔，且接着施加第二电流限制电压达固定间隔，同时通过检测所得电流而查找从属pd/pse#1的特性阻抗(大约25k欧姆)。

在步骤64中，如果检测到正确的特征阻抗，那么主控pd/pse12假设从属pd/pse#1是podl兼容的并且闭合其右侧开关44(图6)，使得从属pd/pse#1经由其dc耦合电感器36(图4)接收全dc电压。从属pd/pse控制器26检测到电压高于特定阈值，并且接着闭合其左侧开关40以将全dc电压耦合到其dc/dc转换器50(图5)以使从属pd/pse#1完全通电。从属pd/pse#1现可经由其phy30接收并且发射以太网数据。

在步骤66中，最新通电的从属pd/pse#1自动对其下游从属pd/pse#2执行相同检测例程。如果检测到特征阻抗，那么从属pd/pse#1闭合其右侧开关44以将dc电压耦合到从属pd/pse#2。从属pd/pse#2在检测到dc电压高于阈值后，接着闭合其左侧开关40以完全通电。

在步骤68中，由所有从属pd/pse#3到#n依序执行相同过程，使得所有从属pd/pse通电。依据环中从属pd/pse的数量，通电时间可短至1到2秒。

在步骤70中，主控pd/pse控制器58(图6)已在规定时间段(例如1到4秒)内检测到从属pd/pse#n在主控pd/pse12的左端口16处提供dc电压，且由此确定所有从属pd/pse通电且不存在导线故障。相同技术已通过以逆时针方式依序使从属pd/pse通电而执行。

图2和3b说明在从属pd/pse#4与#n-1之间的区段中存在导线故障(例如短路或断路导线)的情况。在图2中，主控装置的身份被示为主控pse/pse12，因为它的功能是提供dc电力到端口16和18两者。类似地，当描述故障期间左侧上的从属装置时，“pd”和“pse”的顺序颠倒以传达它们从其右端口18接收电力并且提供电力到其左端口16。

在图3b的步骤76中，通电序列如前所述般顺时针继续进行，直至从属pd/pse#4由于导线故障而无法检测从属pd/pse#n-1中的特征阻抗为止。相应地，从属pd/pse#4将不闭合其右侧开关44。

在步骤78中，主控pse/pse12在规定时间内检测到dc电压尚未被施加到其左端口16，此指示环中某处存在故障。

响应于主控pse/pse12未检测到来自其左侧的dc电压，主控pse/pse12起始第二例程，由此上述相同检测/开关序列以主控pse/pse12的左侧开始起始通电。从属pse/pd以从属pse/pd#n开始接着通过闭合不同开关40和44依序按逆时针通电，直至遇到导线故障为止。此时，所有从属pd/pse(和pse/pd)由于从主控pse/pse12顺时针和逆时针施加dc电压而通电。

在步骤84中，导线故障通过其左侧和右侧上的断开开关40或44得到隔离。从属pd/pse#4或从属pse/pd#n-1可经由以太网数据信号识别经由到主控pse/pse12的导线对20的故障位置，且可触发警报以识别所述问题。

上述过程对于其中电力冗余对于高可靠性而言很重要的系统特别有价值。虽然词“环”用于描述从属pd/pse的闭合串，但是环的形状并不重要，并且可为蛇形、矩形、圆形或任何其它形状。

图7到9b说明相同主控pd/pse12和从属pd/pse的另一个配置，其中取代环，从属pd/pse串联连接于两个相同主控pd/pse90与92之间。主控pd/pse90和92两者在其电力端子处(非经由其端口16和18)从各自电压源14和93接收dc电力。主控pd/pse90和92和从属pd/pse的功能依据是否存在导线故障而改变，因此标记pd和pse在图7和8中改变以反映相同电路的每侧的不同功能。

图7假设不存在导线故障，且图9a的流程图适用。流程图被简化，因为步骤非常类似于图3a和3b中描述的步骤。

在图9a的步骤96中，主控pse90执行其检测例程并且如果下游从属pd/pse#1被检测为podl兼容的，那么闭合其右开关44以使从属pd/pse#1通电。

在步骤98中，每个连续从属pd/pse执行相同检测例程并且闭合其右开关44以依序使所有从属pd/pse通电。

在步骤100中，末端主控pd92在规定时间内检测到施加dc电压到其左端口16，且确定不存在导线故障。

图8和9b假设从属pd/pse#1与从属pse/pd#2之间存在导线故障。在图9b的步骤104中，主控pse90执行其检测例程并且如果下游从属pd/pse#1被检测为podl兼容的，那么闭合其右开关44以使从属pd/pse#1通电。

在步骤106中，每个连续从属pd/pse执行相同检测例程并且闭合其右开关44以依序使导线故障左侧的所有从属pd/pse通电。

在步骤108中，末端主控pse92在规定时间内未在其左端口16处检测到dc电压，且确定存在导线故障。

作为响应，在步骤110中，末端主控pse92针对从属pse/pd#n执行检测例程并且闭合其左开关40以将dc电压施加到从属pse/pd#n。

在步骤112中，其余从属pse/pd从右到左依序以相同方式通电，直至所有从属pd/pse通电为止，且导线故障通过其任一侧上的断开开关40和44得到隔离。

由于主控pse/pd90和92(标记依据其功能)仅使用一个端口，所以图6中示出的另一个端口可被可选地免除以减小装置的尺寸。图7中的主控pse/pd中的软件或固件由于不同配置和方法而与图1的主控pse/pd中的软件或固件不同，但是硬件电路可与图6中所示相同。

相同技术可应用于其中经由两个或更多个导线对施加dc电力以及经由两个导线对给差分数据供电的poe系统。导线可为任何类型的导体，包含双绞线、同轴电缆或甚至包含汽车的金属车体。

虽然已示出并且描述本发明的特定实施方案，但是本领域技术人员将了解可进行变更和修改而不在其更宽方面脱离本发明，且因此，随附权利要求的范围内将涵盖在本发明的真实精神和范围内的所有这些变更和修改。