CN101116285A - 根据通过通信链路供电的***中供电设备的输出电压调节限流阈值 - Google Patents

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Abstract

一种通过通信链路供电的供电***，具有限流电路，用于根据限流阈值限制***的输出电流，和阈值电路，用于根据***的输出参数设定限流阈值。具体地讲，所述阈值电路可以根据***的输出电压控制限流阈值，以便获得***的大体恒定的输出功率。

Description

根据通过通信链路供电的***中供电设备的输出电压调节限流阈值
本申请要求美国临时专利申请号60/646,509的优先权，该申请的申请日为2005年1月25日，发明名称为″支持先进的以太网供电***的***和方法″。
技术领域
[0001]本发明涉及供电***，更具体地讲，涉及根据通过通信链路供电的***，例如以太网供电(PoE)***中供电设备的输出电压调节限流阈值的电路和方法。
背景技术
[0002]在过去若干年中，以太网已成为局域网络最常用的方法。IEEE802.3组，以太网标准的发起人，业已开发了该标准的延伸形式，称作IEEE802.3af，定义通过以太网电缆供电。IEEE 802.3af标准定义以太网供电(PoE)***，该***涉及通过非屏蔽双绞线将电力从供电设备(PSE)传输到位于链路相对侧的用电设备(PD)。传统上，网络设备诸如IP电话，无线LAN接入点，个人计算机和网络摄像机需要两个连接：一个连至LAN，而另一个连至供电***。所述PoE***消除了需要额外插口和接线，以向网络设备供电。取而代之的是，通过用于数据传输的以太网电缆供电。
[0003]如IEEE 802.3af标准中所定义的，PSE和PD是非数据实体，允许网络设备使用与用于数据传输同类的电缆供电和获得电力。PSE是在物理连接点电连接至电缆的设备，它向链路供电。PSE通常与以太网交换机，路由器，集线器或其他网络交换设备或中跨供电设备相关联。PD是获得供电或请求供电的设备。PDs可以与诸如数字IP电话，无线网络接入点，PDA或笔记本电脑扩展坞，移动电话充电器和HVAC恒温器等设备相关联。
[0004]PSE的主要功能是为请求供电的PD搜索链路，可选地对PD进行分级，如果检测到PD则向所述链路供电，监测链路上的供电，并且当不再请求或者需要时切断电源。PD通过呈现由IEEE802.3af标准定义的PoE检测信号来参与PD检测过程。
[0005]如果所述检测信号有效，PD具有向PSE呈现分级信号的选择，以表示在上电时它会提取多少电能。可以将PD分级为级别0到级别4。级别1的PD要求PSE提供至少4.0W，级别2的PD要求PSE提供至少7.0W，级别0、3或4的PD要求至少15.4W。根据确定的PD级别，PSE向PD提供所需的电力。
[0006]当向PD供电时，PSE相对某个限流阈值监测其输出电流，所述限流阈值例如PSE在短路状态下的最大输出电流(ILIM)，和过载电流检测范围(ICUT)。具体地讲，PSE应当能够承受电源电缆内的任何电线到任何其他电线的短路而不受损，如果通过该短路的电流强度不超过ILIM。另外，当PSE的输出电流超过ICUT的时间超出过载时限(Tovld)时，可以检测到过载状态。当检测到过载状态时，PSE必须从电源接口断开电源。
[0007]为了符合IEEE 802.3af标准，ILIM的值必须保持在400mA-450mA范围内的一固定水平，而ICUT的值必须保持在大于Pclass/Vport但小于400mA的一固定水平，其中Vport是PSE的输出电压，而Pclass是相应级别的功率。如IEEE 802.3af标准中所定义的，Vport的值必须在44V-57V的范围内。
[0008]PSE可以包括多个以太网端口，用以向接至相应端口的多个以太网设备输电。因为许多以太网设备不需要通过以太网输电，所以考虑未必所有的PSE端口都要连接至PD。因此，大多数PSE被制成使其功率远小于15.4W乘以端口数。因此，PSE可进行功率分配，以确保端口所需的总功率小于PSE的供电能力。
[0009]如下面所说明的，固定水平的限流阈值导致向更少的端口供电。例如，在57V的输出电压下，350mA水平的ICUT表示过载电子电路断路器在57V×350mA＝19.95 W断开。在57V输出电压和400mA水平的ICUT下，过载电路断路器会在57V×400mA＝22.8W断开。由于过载电子电路断路器只有在输出功率达到所述水平时才会断开，PSE功率分配***可能假定每个所述端口都会提取所述量的功率，超过IEEE 802.3af标准要求的最大功率。
[0010]因此，如果至少一个端口要求高输出功率，PSE(它具有有限的供电能力)可能为减少数量的端口供电，因为它可能假设每个端口会提取高功率。例如，具有200W电源的PSE，在Vport＝57V和ICUT为350mA水平的条件下，只能为10个端口供电，因为它可能假设每个端口会消耗高达19.95W的功率。如果输出功率被限制在15.4W，相同的PSE可以为200W/15.4W≈13个端口供电。
[0011]因此，需要用于调节限流阈值水平的机构，以使PSE能够输送最大量的电力，同时为最大数量的端口供电。
[0012]另外，IEEE 802.3af标准规定PD的输入限流阈值。具体地讲，标准将PD中的输入突入电流IInrush限制在最大值为400mA。不过，理想的是使得输入限流阈值可以调节，以使PD能够收到更高的功率。
发明内容
[0013]本发明提供了一种新型的电路和方法，用于调节供电***的限流阈值水平，所述供电***通过通信链路向用电设备(PD)供电。
[0014]根据本发明的一个方面，所述供电***具有限流电路，用于根据限流阈值限制电流；和阈值电路，用于根据所述***的输出参数设定限流阈值。具体地讲，可根据输出限流阈值限制所述供电***的输出电流和/或可根据输入限流阈值限制所述PD的输入电流。所述阈值电路可以根据所述***的输出电压控制输出限流阈值和/或输入限流阈值，以便获得所述***的大体恒定的输出功率。
[0015]例如，所述阈值电路可以根据***的输出电压设定***在短路状态下的最大输出电流和/或***的过载电流检测范围。另外，所述阈值电路可根据***的输出电压设定PD的最大输入电流。
[0016]根据本发明的实施例，所述限流阈值可与输出电压成反比，以获得***的恒定输出功率，而不管输出电压。
[0017]另外，所述阈值电路可以利用电流-电压曲线的近似表示***的恒定输出功率来设定限流阈值。例如，电流-电压曲线的线性近似可用来使限流阈值与输出电压在***输出电压的预定范围内成线性比例。
[0018]限流电路可控制***的输出场效应晶体管或双极晶体管，以防止***的输出电流超过***在短路状态下的最大输出电流。
[0019]另外，当***的输出电流超过过载电流检测范围的时间超出预定时限时，所述限流电路可使***的输出晶体管关闭。
[0020]根据本发明的方法，实施以下步骤：
-确定供电设备的输出参数，和
-根据所述确定的输出参数调节限流阈值。
[0021]具体地讲，可以根据供电设备的输出电压调节所述供电设备在短路状态下的最大输出电流和/或所述供电设备的最大过载电流，以便获得所述供电设备的基本恒定的输出功率。另外，可以根据供电设备的输出电压调节PD的最大输入电流，以便获得所述供电设备的基本恒定的输出功率。
[0022]根据本发明的另一方面，通过以太网供电的***包括具有至少一个端口用于向用电设备(PD)供电的PSE，和根据在端口产生的输出电压控制限流阈值的阈值电路。具体地讲，PSE的输出限流阈值和/或PD的输入限流阈值可以根据输出电压控制，以便获得PSE的基本恒定的输出功率。
[0023]按照本发明的另一方面，局域网包括至少一对网络节点，网络集线器，和用于将网络节点连至网络集线器以提供数据通信的通信电缆。网络集线器具有供电设备，用于通过通信电缆向负载供电。网络包括限流电路，用于根据限流阈值限制通过通信电缆供电的***中的电流；和阈值电路，用于根据供电设备的输出参数设定限流阈值。所述阈值电路可以根据供电设备的输出参数设定供电设备的输出限流阈值和/或负载的输入限流阈值。
[0024]通过以下详细说明，本领域技术人员会更方便地理解本发明的其他优点和方面，其中仅通过说明实施本发明的最佳方式的形式，示出并且披露了本发明的实施例。正如所要披露的，本发明能够以其他和不同的实施例实施，并且它的若干细节能够以各种显而易见的方式进行改进，所有这样的改进不偏离本发明的构思。因此，附图和说明被视为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
[0025]以下对本发明实施例的详细说明通过结合以下附图能够得到最佳的理解，其中特征不一定按比例绘制，而是以最佳示出相关部件的形式绘制，其中：
[0026]图1示出本发明PoE***中的多端口PSE的方框图。
[0027]图2示出本发明的限流阈值控制机构的示意图。
[0028]图3示出电流-电压曲线的示意图，表示基本恒定水平的输出功率输送到PSE的一个端口。
具体实施方式
[0029]本发明将利用调节限流阈值的值的示例，如以太网供电(PoE)***中，PSE在短路状态下的最大输出电流(ILIM)，和/或过载电流检测范围(ICUT)来实现。不过，显而易见，本文所披露的构思可应用于任何网络。例如，本发明的***可用在局域网(LAN)上，所述局域网具有多个节点，网络集线器，和将节点连接至网络集线器用于提供数据通信的通信电缆。网络集线器可以包括供电设备，而通信电缆可用来从供电设备向负载供电。
[0030]另外，正如本领域技术人员会认识到的，本发明的构思可被用来调节负载，如PD的最大输入电流值。
[0031]图1示出简化的方框图，示出以太网供电(PoE)***10包括供电设备(PSE)12，具有多个端口1-4分别通过各自的链路可连至用电设备(PD)1-4，每个链路可用以太网电缆内的2或4组双绞线提供。尽管图1示出PSE 12的四个端口，本领域技术人员会认识到，可以提供任意数量的端口。
[0032]PSE 12可按照IEEE 802.3af标准与每个PD相互作用。具体地讲，PSE 12和PD参与PD检测程序，在该程序期间，PSE 12探查链路以检测PD。如果检测到PD，PSE 12检查PD检测信号，以确定它是有效还是无效的。有效和无效的检测信号在IEEE 802.3af标准中有定义。有效PD检测信号表示PD处于会接受供电的状态，而无效PD检测信号表示PD处于不会接受供电的状态。
[0033]如果信号有效，PD可以选择向PSE呈现分级信号，以表示在上电时会提取多少电力。可以将PD分成级别0至级别4。级别1的PD要求PSE提供至少4.0W，级别2的PD要求PSE提供至少7.0W，而级别0、3或4的PD要求至少15.4W。根据PD的确定级别，PSE向PD提供所需的功率。
[0034]向多链路供电的多端口PSE设备通常使用单一电源，将AC线电源转换为符合802.3 af的电源，它可通过链路传送。由于连至PSE端口的多个以太网设备不需要通过以太网输电，可以认为未必所有的PSE端口都被要求供电。因此，通常的PSE设备被制成具有供电能力远小于15.4W乘以端口数。因此，在由PSE供电的链路之间可能存在电力的竞争。例如，如果一个4端口PSE设备已经向3个级别2的PD供电的话，它必须分配21W用于向相应的3个链路供电。如果PSE设备在其最后一个端口检测到PD，它必须确保它具有为那个PD供电的能力。例如，如果PSE设备以25W的电源工作，它只有4W剩余。因此，它不能为第四个级别2的PD供电。不过，具有30W电源的PSE设备可以为第四个级别2的PD供电，因为它有9W的剩余。
[0035]这个示例表明，多端口PSE必须记住来自链路的电力需求，以在向链路供电之前将电力需求与其供电能力作比较。因此，提供具有供电管理机制的PSE12，它执行功率分配，以确保端口所需的总功率小于PSE的供电能力。
[0036]另外，IEEE 802.3 af标准要求PSE能够承受电源电缆内任何电线到任何其他电线的短路而不受损，如果通过所述短路的电流强度不超过电流ILIM，其中ILIM是指PSE在短路状态下的最大输出电流。
[0037]另外，IEEE 802.3 af标准要求当检测到过载状态时，PSE从电源接口断开电源。具体地讲，当PSE的输出电流超过电流ICUT(是指过载电流检测范围)的时间超出预定的时间间隔，如过载时限(Tovld)时，可以检测到过载状态。
[0038]在常规符合IEEE 802.3af的PSE中，ILIM值必须保持在400mA-450mA范围内的一固定水平，而ICUT值必须保持在大于Pclass/Vport，但小于400mA的一固定水平，其中Vport是PSE端口的输出电压，而Pclass是相应级别的功率。如IEEE 802.3af标准中所定义的，Vport值必须在44V-57V范围内。
[0039]因此，通常符合IEEE 802.3af的PSE会保证在44V-57V范围内的一输出电压下具有15.4W的输出功率。因此，它的过载电流检测范围ICUT会在15.4W/44V和400mA之间，即在350mA-400mA之间。相应地，通常常规的PSE被设计成具有过载电子电路断路器，能够在输出电流超过375±25mA的ICUT水平时断开电源。
[0040]不过，固定水平的限流阈值限制PSE向更少的端口供电。例如，在57V输出电压下，350mA水平的ICUT表示过载电子电路断路器在57V×350mA＝19.95 W断开。在57V输出电压和400mA水平的ICUT下，过载电路断路器会在57V×400mA＝22.8W断开。由于过载电子电路断路器只有在输出功率达到上述水平时才断开，PSE的功率分配***可能假设上述每个端口会提取所述量的功率，超过IEEE 802.3af标准要求的最大功率。
[0041]因此，如果至少一个端口要求高输出功率，具有有限供电能力的PSE可以向减少数量的端口供电，因为它可能假设每个端口会提取高功率。例如，具有200W电源和350mA水平ICUT的PSE只能向10个端口供电，因为它可能假设每个端口要消耗高达19.95W。如果将输出功率限制为15.4W，则相同的PSE可以向200W/15.4W≈13个端口供电。
[0042]为了向最大数量的端口提供最大量的功率，本发明的PSE 12具有限流阈值控制机构，它根据输出电压Vport控制限流阈值，以便在预定范围的输出电压内获得几乎恒定的输出功率。
[0043]参见图2，本发明的限流阈值控制机构20包括阈值控制电路22，用于根据输出电压Vport设定限流阈值，和限流电路24，它根据由阈值控制电路设定的限流阈值对过电流事件，如短路状态和过载状态作出响应。具体地讲，限流电路24监测PSE 12的输出电流，以将电流保持在ILIM或低于ILIM。另外，限流电路22表示当PSE 12的输出电流超过ICUT的时间超出了预定的时间间隔，使PSE 12能够断开对PD的供电。可为PSE 12的每个端口在PSE芯片上提供阈值控制电路22和限流电路24。
[0044]具体地讲，阈值控制电路22可以利用相应端口的输出电压监测终端OUT来监测输出电压Vport。所述OUT终端可通过电阻Rout连至端口。根据Vport的确定值，阈值控制电路22将限流阈值IT设为Vport值的函数。具体地讲，限流阈值IT可以是在短路状态下的最大电流ILIM，或过载电流检测范围ICUT。
[0045]例如，阈值控制电路22可以使限流阈值IT与输出电压Vport成反比，即IT＝PT/Vport，其中PT是检测到过电流事件时的阈值功率水平。由于输出功率Pport＝IT×Vport＝PT，限流电路24会在PSE 12的恒定值的输出功率Pport下检测到过电流事件。结果，PSE 12可以不依赖输出电压Vport的变化而产生大体恒定水平的输出功率Pport。本领域技术人员会认识到，可以使用不同的模拟或数字电路来产生与输出电压Vport成反比的限流阈值IT。另外，可以对计算机设备进行编程，以实现这个功能。
[0046]另外，阈值控制电路22可以利用线性或其他近似的电流-电压(I-V)曲线表示恒定水平的输出功率Pport，来设定限流阈值IT的值。例如，参见图3，在输出电压ΔV的有限的预定范围内，I-V曲线表示恒定的功率水平Pport可以是线性近似的。ΔV范围可对应IEEE 802.3af标准要求的44V-57V范围内的输出电压Vport。因此，在输出电压Vport的预定范围ΔV内，阈值控制电路22可以实现线性近似的I-V曲线，表示恒定水平的输出功率Pport，以使限流阈值IT与输出电压Vport成线性比例。结果，在输出电压Vport的预定范围内可以获得大体恒定水平的Pport。
[0047]可以通过控制PSE的输出晶体管，例如，通过利用对应相应端口的终端GATE控制外部电源MOSFET 26的栅极驱动电压，来提供向PSE12的端口的电力输送。例如，MOSFET 26可以受控的方式将-48V输入电源接至PSE端口，以提供足够的功率Pport。限流电路24通过对应相应端口的终端SENSE，通过监测感应电阻Rsense(Rsense连至MOSFET 26)两端的电压Vsense，来监测端口的输出电流。
[0048]阈值控制电路22向限流电路24提供阈值电压VLIM，它可根据由阈值控制电路22确定的ILIM值确定为ILIM×RS。如上所述，ILIM值根据输出电压Vport确定。限流电路24可以控制MOSFET 26的栅电压，以当监测到的电压Vsense超过阈值电压VLIM时减少PSE的输出电流。例如，限流电路24可能包括运算放大器，它将阈值电压VLIM和感应电压Vsense作比较，以产生输出电压，所述输出电压在电压Vsense超过阈值电压VLIM时，降低MOSFET 26的栅电压。结果，PSE 12的输出电流保持在ILIM水平或低于ILIM水平。
[0049]另外，阈值控制电路22可以向限流电路24提供阈值电压VCUT，所述阈值电压可以根据由阈值控制电路22确定的ICUT值确定为ICUT×RS。如上所述，ICUT值根据输出电压Vport确定。当监测到的电压Vsense超过阈值电压VCUT的时间超出预定时间间隔时，限流电路24可作出指示，以便从端口断开电源。具体地讲，限流电路24可以在感应电压Vsense超过阈值电压VCUT时激活过载计时器。如果当由计时器规定的过载时限届满时感应电压Vsense仍高于VCUT水平，则关闭MOSFET26，以从端口断开电源。例如，过载时限可以在50ms-75ms范围内，以符合IEEE 802.3af标准。
[0050]因此，本发明的限流阈值控制机构根据输出电压Vport来调节ILIM和/或ICUT阈值，以不依赖输出电压Vport的变化来提供大体恒定水平的输出功率Pport。结果，可以将最大量的功率输送到最大数量的PSE端口。
[0051]另外，IEEE 802.3af标准将PD的输入突入电流IInrush限定在最大为400mA。除了控制PSE的输出限流阈值外，或取代控制输出限流阈值，本发明的限流阈值控制机构可用来根据PSE的输出电压调节PD的输入限流阈值。
[0052]例如，PD可以包括输入限流电路，它将PD的输入电流与输入电流阈值作比较，以将输入电流限制在由输入电流阈值设定的最大值。所述输入电流阈值可根据PSE的输出电压，以类似于上述调节PSE的输出限流阈值的方式调节。具体地讲，当PD要求较高的功率时，PD能够以较高的输入电流工作。
[0053]以上说明解释和披露了本发明的各个方面。另外，所示出和披露的内容仅仅是优选实施例，不过正如上文所提到的，应当理解，本发明能够使用各种其他组合，改进，和环境，并且能够在本文所体现的发明构思范围内进行改变或改进，与上述教导，和/或相关领域的技能或知识匹配。例如，除了调节ILIM和/或ICUT阈值之外，本发明的限流阈值控制机构可以根据PSE的输出信号调节PSE和/或PD的其他阈值水平。
[0054]上述实施例还可用于解释已知用于实施本发明的最佳方式，并且使得本领域技术人员能够以上述或其他实施例的形式利用，并且根据本发明的具体应用或用途的要求进行各种改进。
[0055]因此，本说明书不是要将本发明局限于本文所披露的形式。另外，希望将所附权利要求书理解成包括其他实施例。

Claims (31)

1.一种通过通信链路向用电设备(PD)供电的***，包括：
限流电路，用于根据限流阈值限制电流，和
阈值电路，用于根据供电***的输出参数设定所述限流阈值。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述限流电路被设置为根据所述限流阈值限制供电***的输出电流。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述限流电路被设置为根据所述限流阈值限制所述用电设备的输入电流。
4.根据权利要求2所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据***的输出参数设定***在短路状态下的最大输出电流。
5.根据权利要求2所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述***的输出参数设定***的过载电流检测范围。
6.根据权利要求2所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述***的输出电压控制所述限流阈值，以便获得***大体恒定的输出功率。
7.根据权利要求6所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述输出电压控制***在短路状态下的最大输出电流。
8.根据权利要求6所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述输出电压控制***的过载电流检测范围。
9.根据权利要求6所述的***，其中，所述阈值电路被设置为使所述限流阈值与输出电压成反比。
10.根据权利要求6所述的***，其中，所述阈值电路被设置为利用近似的电流-电压曲线表示***的大体恒定的输出功率，来设定限流阈值。
11.根据权利要求10所述的***，其中，所述阈值电路被设置为在***输出电压的预定范围内利用线性近似的电流-电压曲线。
12.根据权利要求4所述的***，其中，所述限流电路被设置用于控制***的输出晶体管，以防输出电流超过***在短路状态下的最大输出电流。
13.根据权利要求5所述的***，其中，所述限流电路被设置用于当输出电流超过过载电流检测范围的时间超出预定的时限时，关闭***的输出晶体管。
14.在通过通信链路由供电设备向PD供电的***中，一种控制方法包括以下步骤：
确定供电设备的输出参数，和
根据所确定的输出参数调节限流阈值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述调节步骤包括调节所述供电设备的输出限流阈值。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述调节步骤包括调节所述PD的输入限流阈值。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述供电设备在短路状态下的最大输出电流根据所述供电设备的输出参数调节。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述供电设备的最大过载电流根据所述供电设备的输出参数调节。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述限流阈值根据供电设备的输出电压调节，以便获得所述供电设备大体恒定的输出功率。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述限流阈值与所述输出电压成反比。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述限流阈值利用近似的电流-电压曲线表示供电设备大体恒定的输出功率来控制。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述限流阈值利用在供电设备输出电压的预定范围内线性近似的电流-电压曲线来控制。
23.一种通过以太网供电的***，包括：
供电设备(PSE)，具有至少一个端口用于向用电设备(PD)供电，和
阈值电路，用于根据在所述端口产生的输出电压控制限流阈值。
24.根据权利要求23所述的***，其中，所述阈值电路被设置用于控制PSE的输出限流阈值。
25.根据权利要求23所述的***，其中，所述阈值电路被设置用于控制PD的输入电流阈值。
26.根据权利要求24所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述输出电压控制PSE的输出限流阈值，以便获得PSE的大体恒定的输出功率。
27.根据权利要求26所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述输出电压控制PSE在短路状态下的最大输出电流。
28.根据权利要求26所述的***，其中，所述阈值电路被设置为根据所述输出电压控制PSE的过载电流检测范围。
29.一种局域网，包括：
至少一对网络节点，
网络集线器，和
通信电缆，用于将所述网络节点连至网络集线器，以提供数据通信，
所述网络集线器具有供电设备，用于通过通信电缆向负载供电，所述网络包括限流电路，用于根据限流阈值限制通过通信电缆供电的***中的电流，和阈值电路，用于根据供电设备的输出参数设定限流阈值。
30.根据权利要求29所述的网络，其中，所述阈值电路被设置用于根据供电设备的输出参数设定供电设备的输出限流阈值。
31.根据权利要求29所述的网络，其中，所述阈值电路被设置用于根据供电设备的输出参数设定所述负载的输入限流阈值。
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