CN102394757A - 具有自动调零电路用于确定和控制输出电流的供电设备 - Google Patents

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Abstract

一种根据限流阈值控制以太网供电系统中供电设备(PSE)的输出的新型系统和方法。所述PSE具有自动调零电路，用于将PSE的监测的输出电流与限流阈值作比较，以控制PSE的输出。

Description

具有自动调零电路用于确定和控制输出电流的供电设备
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系统的系统和方法(SYSTEMAND METHOD FOR SUPPORTING ADVANCED POWER OVER ETHERNETSYSTEM)″。
技术领域
本发明涉及供电系统，更具体地讲，涉及用于确定和控制以太网供电(PoE)系统中供电设备(PSE)的输出电流的电路和方法。
背景技术
在过去若干年中，以太网已成为局域网络最常用的方法。IEEE 802.3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IEEE 802.3af，定义通过以太网电缆供电。IEEE 802.3af标准定义以太网供电(PoE)系统，该系统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：一个接至LAN，而另一个接至供电系统。所述PoE系统消除了需要额外的插口和接线，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。
如IEEE 802.3af标准中所定义的，PSE和PD是非数据实体，允许网络设备利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通常与以太网开关，路由器，网络集线器或其他网络交换设备或中跨供电设备相连。PD是获得供电或请求供电的设备。PD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恒温器等设备相连。
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，并且在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。
如果所述检测信号有效，PD可以选择向PSE呈现分级信号，以表示在上电时它会提取多少电力。PD可被划分成级别0到级别4。级别1的PD需要PSE提供至少4.0W，级别2的PD需要PSE提供至少7.0W，级别0，3或4的PD需要至少15.4W。根据PD的确定级别，PSE向PD提供所需的电力。
在向PD供电时，IEEE 802.3af标准要求PSE通过监测其输出电流相对于某个限流阈值，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)，来检查过电流状态。具体地讲，PSE应当能够承受供电电缆内任何导线到任何其他导线的短路而不受损，如果通过所述短路的电流强度不超过ILIM。另外，当PSE的输出电流超过ICUT的时间超出设定在50ms-75ms范围内的过载时限(Tovld)时，可以检测到过载状态。为了符合IEEE 802.3af标准，ILIM的值必须保持在400mA-450mA的范围内，而ICUT的值必须保持在大于15.4W/Vport，但小于400mA的水平，其中Vport是PSE的输出电压。
另外，IEEE 802.3af标准要求PSE检查电流不足状态，以确保PD提取最小规定电流。具体地讲，按照Maintain Power Signature(MPS)(保持电力信号)要求，PSE可以监测它的输出电流，以便当输出电流低于IDLE状态电流(IMin)的时间大于MPS回动时限(TMPDO)时，从端口切断电源。IEEE 802.3af标准要求IMin的值在5mA-10mA范围内。
因此，要求PSE测量它的输出电流，在输出电流超过限流阈值时对过电流状态作出响应，并在输出电流低于某个最小值时对电流不足状态作出响应。通常，PSE通过确定感测电阻两端的感测电压来测量它的输出电流。
由于热或电压余量的原因，希望使感测电阻尽可能的小，特别是如果电流具有宽的动态范围。例如，可以使用0.5Ω的电阻以符合IEEE 802.3af标准。由于感测电阻值低，用于测量感测电压和将相应电流与所需阈值水平作比较的常规差分放大器，可能由于与放大器电路相关的偏置电压而造成显著误差。例如，偏置电压可能通过动态条件，如热，光和辐射条件，通过输入级晶体管大小的差异，通过所述晶体管的掺杂和基极扩散的差异，以及其他电路缺陷而引起。由于所述偏置电压，差分放大器可能在其输出产生某个信号，即使当施加在其输入上的电压相同。
因此，希望提供具有电流测量电路的PSE，它会补偿放大器电路的偏置电压，以在放大器的输出产生校正值。
发明内容
本申请提供了一种新型的系统和方法，用于根据限流阈值控制PSE的输出。根据本发明的一个方面，PSE包括自动调零电路，用于将PSE的监控输出电流和限流阈值作比较，以控制PSE的输出。所述自动调零电路可以包括自动调零比较仪或自动调零放大器。
例如，所述自动调零放大器可以将监测的输出电流与PSE在短路状态下的最大输出电流作比较，以控制输出电流，从而防止它超过PSE在短路状态下的最大输出电流。
另外，所述自动调零比较仪可以将监测的输出电流和过载电流检测范围作比较，以在输出电流超过过载电流检测范围的时间超出第一预定时间间隔时从PSE的输出断电。
另外，所述自动调零比较仪可被设置用于将监测的输出电流与预定最小电流作比较，以在输出电流低于预定最小电流的时间超出第二预定时间间隔时从PSE的输出断电。
根据本发明的一个实施例，所述自动调零电路可被设置通过监测PSE的感测电阻两端的感测电压，来监测PSE的输出电流。所述自动调零电路可以将感测电压与表示限流阈值的参考电压作比较。
可以提供控制电路，用于选择性地为自动调零比较仪的输入提供表示过载电流检测范围的第一参考信号，或提供表示预定最小电流的第二参考信号。
所述控制电路可以监测所述自动调零比较仪的输出，用于确定何时感测电压超过第一参考信号，以及何时感测电压变得低于第二参考信号。
当感测电压超过第一参考信号时，所述控制电路可以激活第一定时装置，如果在由第一定时装置定义的第一预定时间间隔之后感测电压超过第一参考信号，从PSE的输出断电。
另外，当感测电压小于第二参考信号时，所述控制电路可以激活第二定时装置，如果在由第二定时装置定义的第二预定时间间隔之后感测电压小于第二参考信号，从PSE的输出断电。
根据本发明的方法，实施了以下步骤，以控制PSE的输出：
-监测PSE的输出电流，和
-向自动调零电路的一个输入提供表示输出电流的输出值，用于与提供给自动调零放大器的另一个输入的限流阈值进行比较。
根据本发明的另一方面，PoE系统包括用于向用电设备(PD)供电的PSE，和用于根据预定电流阈值水平控制PSE的输出的控制电路。所述控制电路包括自动调零电路，用于将PSE的输出电流和预定电流阈值水平作比较。
通过以下详细说明，本领域技术人员可以更方便地理解本发明的其他优点和方面，其中，示出并且披露了本发明的实施例，仅以说明用于实施本发明的最佳方式的形式提供。正如所披露的，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，所有这样的改进都不偏离本发明的精神。因此，附图和说明书被视为说明性的，而不是限制性的。
附图说明
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，特征不一定是按比例绘制的，而是以能够最好说明相关特征的形式绘制的，其中：
图1是方框图，示出本发明的PSE；
图2是示意图，示出自动调零比较仪，用于比较输出电流和限流阈值，根据比较结果从PSE的输出断电；
图3是示意图，示出自动调零放大器，用于控制PSE的输出电流，以便防止输出电流超过限流阈值。
具体实施方式
本发明将利用自动调零电路，来监测PSE的输出电流相对于PSE在短路状态下的最大输出电流(ILIM)，过载电流检测范围(ICUT)和以太网供电(PoE)系统中IDLE状态电流(IMin)为示例进行说明。不过，显而易见，本文所披露的构思可适用于监测相对于任何值的PSE的任何输出信号。
图1示出简化方框图，示出以太网供电(PoE)系统10，它包括具有多个端口1-4的供电设备(PSE)12，可以通过各自的链路连接到用电设备(PD)1-4，所述链路各自利用以太网电缆内2或4组双绞线提供。尽管图1示出了PSE 12的四个端口，本领域技术人员会认识到，可以具有任意数量的端口。
PSE 12可以按照IEEE 802.3af标准与每个PD相互作用。具体地讲，PSE 12和PD参与PD检测过程，在此期间，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，以确定它是有效的还是无效的。有效和无效的检测信号在IEEE 802.3af标准中有定义。有效的PD检测信号表示PD处于会接受供电的状态，而无效的PD检测信号表示PD处于不会接受供电的状态。
如果所述信号有效，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能。可以将PD划分成级别0到级别4。级别1的PD需要PSE提供至少4.0W，级别2的PD需要PSE提供至少7.0W，级别0，3或4的PD需要至少15.4W。根据PD的确定级别，PSE向PD提供所需的电力。
在向PD供电时，PSE 12通过监测其输出电流相对于某个限流阈值，例如PSE在短路状态下的最大输出电流(ILIM)，过载电流检测范围(ICUT)，和IDLE状态电流(IMin)，来检查过电流和电流不足状态。
具体地讲，PSE 12应当能够承受施加在供电电缆内的任何导线到任何其他导线的短路而不受损，如果通过所述短路的电流强度不超过ILIM。因此，PSE12可以监测它的输出电流，以防止它超过ILIM水平。ILIM的值保持在400mA-450mA的范围内。
另外，当PSE 12的输出电流超过ICUT的时间超出设定在50ms-75ms范围内的过载时限(Tovld)时，可以检测到过载状态。ICUT的值保持在大于15.4W/Vport，但小于400mA的水平，其中Vport是PSE的输出电压。
另外，为了确保PD提取至少最小给定电流，如果PSE 12的输出电流低于IDLE状态电流(IMin)的时间大于MPS回动时限(TMPDO)时，可以检测到电流不足状态。IMin的值保持在5mA-10mA的范围内。
因此，PSE 12可以测量它的输出电流，以在输出电流达到ILIM水平和/或超过ICUT水平时响应过电流状态，并在输出电流低于IMin水平时响应电流不足状态。正如在下面更详细地讨论的，PSE通过确定感测电阻两端的感测电压来测量它的输出电流。
由于热或电压余量的原因，希望使感测电阻尽可能的小，特别是如果电流具有宽的动态范围。例如，可以使用0.5Ω的电阻以符合IEEE 802.3af标准。由于感测电阻值低，用于测量感测电压和将相应电流与所需阈值水平作比较的常规差分放大器，可能由于与放大器电路相关的偏置电压而造成显著误差。例如，偏置电压可以通过动态条件，如热，光和辐射条件，通过输入级晶体管大小的差异，通过所述晶体管的掺杂和基极扩散的差异，以及其他电路缺陷而造成。由于所述偏置电压，差分放大器可以在其输出产生某个信号，即使施加在其输入的电压是相同的。
为了提供小值感测电阻两端的感测电压的准确测量，本发明的PSE 12包括自动调零电路，用于监测感测电压，并将它与预定阀值水平进行比较。自动调零电路通常以每个时钟周期两相工作。在第一相中，它使其输入短路在一起，并在内部储存所得到的偏置。在第二相中，它输出其差动输入信号，同时所述输入偏置误差由储存的偏置补偿。如下所述，自动调零电路可以是自动调零比较仪或自动调零放大器。
图2示出示例性电路20，用于从PSE 12的输出端口断电来响应过载状态和/或电流不足状态。可以通过终端Gate(门极)控制功率MOSFET 22的门极驱动电压来提供从PSE 12向PD的电力输送。例如，MOSFET22可以受控的方式将-48V输入电源连接到PSE输出端口，满足PD的功率要求。PSE 12的输出电流通过终端Sense(感测)监测连至MOSFET 22的感测电阻Rsense两端的电压Vsense来测量。如上所述，希望使感测电阻Rsense尽可能得小。例如，可以使用0.5Ω的电阻以符合IEEE 802.3af标准。可以为PSE 12的每个端口1-4提供MOSFET 22，感测电阻Rsense，和终端Gate和Sense。
Sense终端连至自动调零比较仪24的第一输入，以向自动调零比较仪24提供感测电压Vsense的检测值。将对应选定限流阈值的参考电压提供给自动调零比较仪24的第二输入。例如，自动调零比较仪24可以将感测电压Vsense和电压VCUT＝ICUT×Rsense或者和电压VMin＝IMin×Rsense作比较，其中Rsense是感测电阻Rsense的电阻值。可以提供开关26，用于有选择地向自动调零比较仪24的第二输入提供来自第一参考电压源Vref1的VCUT电压，或提供来自第二参考电压源Vref2的VMin电压。
自动调零比较仪24将感测电压Vsense和选定参考电压作比较，以在感测电压超过选定参考电压时产生具有第一值的输出数字信号，并在感测电压低于选定参考电压水平时产生具有第二值的输出数字信号。例如，当感测电压Vsense超过对应过载电流检测范围ICUT的VCUT电压时，自动调零比较仪24可以在其输出产生逻辑1，而当感测电压Vsense小于对应IDLE状态电流IMin的VMin电压时，自动调零比较仪24可以在其输出产生逻辑0。本领域技术人员会认识到，任何执行自动调零程序用于消除由比较仪电路生成的偏置的比较仪装置，都可以用作自动调零比较仪24。
单个自动调零比较仪24可由PSE 12的端口1-4共享，以监测和控制由每个端口提供的输出电流。另外，可为每个端口提供单独的自动调零比较仪。
自动调零比较仪24的操作由控制器26控制，该控制器以指定的方式控制开关26，以便向自动调零比较仪24的第二输入提供来自第一参考电压源Vref1的VCUT电压，和提供来自第二参考电压源Vref2的VMin电压。例如，控制器26可以控制开关26，以将自动调零比较仪24的输入连接到第一参考电压源Vref1，以便依次将来自每一个端口1-4的输出电流和过载电流检测范围ICUT作比较。然后，控制器26可以将自动调零比较仪24的输入切换到第二参考电压源Vref2，以便依次将来自每一个端口1-4的输出电流和IDLE状态电流IMin作比较。另外，来自第一端口的输出电流可以与过载电流检测范围ICUT和IDLE状态电流IMin进行比较。然后，来自下一个端口的输出电流可以与过载电流检测范围ICUT和IDLE状态电流IMin等进行比较。
同时，控制器26分析自动调零比较仪24的输出，以确定来自相应端口的输出电流是高于过载电流检测范围Icut，还是低于IDLE状态电流IMin。具体地讲，当控制器26将自动调零比较仪24的第二输入切换到第一参考电压源Vref1时，它可能在自动调零比较仪24的输出检测到逻辑1，表明在自动调零比较仪24的第一输入端的感测电压Vsense的值高于在第二输入端的VCUT电压值。在这里，控制器28启动定时器30，该定时器被编程以计算对应过载时限Tovld的值。当由定时器30计数的时间间隔届满时，如果感测电压Vsense仍高于VCUT电压，控制器28可以拉下相应的Gate终端，以断开连至该终端的MOSFET 22。
另外，当控制器26将自动调零比较仪24的第二输入切换到第二参考电压源Vref2时，它可能在自动调零比较仪24的输出端检测到逻辑0，表明在自动调零比较仪24的第一输入端的感测电压Vsense的值小于在第二输入端的VMin电压值。在这里，控制器28启动定时器32，该定时器被编程以计算对应MPS回动时限TMPDO的值。当由定时器32计数的时间间隔届满时，如果感测电压Vsense仍小于VMin电压，控制器28可以拉下相应的Gate终端，以切断连至该终端的MOSFET22。
图3示出用于调节PSE的输出电流，以防止短路状态的示例性电路40。具体地讲，电路40调节输出电流，以便防止它超过PSE在短路状态下的最大输出电流ILIM。
如上所述，PSE的输出电流可以通过终端Sense监测连接至MOSFET 22的感测电阻Rsense两端的电压Vsense来测量。可以提供自动调零放大器42，用于将电压Vsense和参考电压源Vref提供的参考电压作比较，以控制MOSFET 22的门极电压。例如，所述参考电压可以对应电压VLIM＝ILIM×Rsense。
可以将电压Vsense提供给自动调零放大器42的第一输入，而将电压VLIM提供给其第二输入。自动调零放大器42的输出可以产生对应VLIM和Vsense之间差的电压。当电压Vsense随着输出电流的增加而增加到接近VLIM时，自动调零放大器42的输出通过降低MOSFET 22门极上的电压来响应。降低MOSFET 22门极上的电压会导致MOSFET电阻的增加，后者反过来又会减少PSE 12的相应端口的输出电流。本领域技术人员会认识到，通过产生相应值的输出信号对输入端的差动信号作出响应的任何自动调零放大器装置都可用作自动调零放大器42。
单个自动调零放大器42可由PSE 12的端口1-4共享，以监测和控制由每个端口提供的输出电流。另外，可以为每个端口提供单独的自动调零放大器。
以上说明示出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，但是如上所述，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，除了将感测电压与ICUT，IMin和/或ILIM阈值作比较之外，本发明的自动调零放大器可以将PSE的任何输出信号与PSE或PD的任何参数作比较。
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。
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可选实施例。

Claims (16)

1.一种用于通过通信链路向用电设备(PD)供电的供电设备，包括：
输出端，所述输出端被控制以便从所述供电设备向所述用电设备供电；
小值感测电阻，所述小值感测电阻被设置成用于监测所述供电设备的输出电流；
参考电路，所述参考电路用于提供对应于限流阈值的参考电压，所述限流阈值被设立以控制所述供电设备的输出电流；和
自动调零电路，所述自动调零电路用于将感测电阻两端产生的感测电压和所述参考电压进行比较以便控制所述输出端，所述自动调零电路被设置成用于补偿在所述感测电压与所述参考电压进行比较时由所述小值感测电阻产生的偏置误差。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述自动调零电路包括自动调零放大器，用于将所述感测电压与对应所述供电设备在短路状态下的最大输出电流的所述参考电压作比较，以防止所述输出电流超过供电设备在短路状态下的最大输出电流。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述自动调零电路包括自动调零比较仪，用于比较所述感测电压和对应过载电流检测范围的参考电压，以便在输出电流超过过载电流检测范围的时间超出第一预定时间间隔时从所述供电设备的输出端断电。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述自动调零电路包括自动调零比较仪，用于比较所述感测电压与对应预定最小电流的参考电压，以便在输出电流低于预定最小电流的时间超出第二预定时间间隔时从所述供电设备的输出端断电。
5.根据权利要求3所述的设备，还包括控制电路，所述控制电路用于选择性地为所述自动调零比较仪的输入提供表示过载电流检测范围的第一参考电压或提供表示预定最小电流的第二参考电压。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述控制电路被设置成用于监测所述自动调零比较仪的输出，以便确定所述感测电压何时超过所述第一参考电压，以及所述感测电压何时变得低于所述第二参考电压。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述控制电路被设置成当所述感测电压超过所述第一参考电压时启动第一定时装置，如果在由第一定时装置定义的第一预定时间间隔之后所述感测电压超过第一参考电压，从所述输出端断电。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述控制电路被设置成当所述感测电压小于所述第二参考电压时启动第二定时装置，如果在由第二定时装置定义的第二预定时间间隔之后所述感测电压小于第二参考电压，从所述输出端断电。
9.一种控制通过以太网向用电设备供电的供电设备的输出的方法，包括以下步骤：
利用被设置在所述供电设备的输出处的小值感测电阻监测所述供电设备的输出电流；
产生对应于限流阈值的参考电压，所述限流阈值被设立以控制所述供电设备的输出电流；和
利用自动调零电路比较感测电阻两端产生的感测电压与所述参考电压，所述自动调零电路被设置成用于补偿当所述感测电压与所述参考电压进行比较时由所述小值感测电阻产生的偏置误差。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述比较步骤包括将所述感测电压与表示所述供电设备在短路状态下的最大输出电流的参考电压作比较，以防止所述输出电流超过所述供电设备在短路状态下的最大输出电流。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述比较步骤包括比较所述感测电压和表示过载电流检测范围的参考电压，以便在输出电流超过过载电流检测范围的时间超出第一预定时间间隔时从所述供电设备的输出端断电。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述比较步骤包括比较所述感测电压与表示预定最小电流的参考电压，以便在输出电流低于预定最小电流的时间超出第二预定时间间隔时从所述供电设备的输出端断电。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述比较步骤包括选择性地为所述自动调零比较仪的输入提供表示过载电流检测范围的第一参考电压或提供表示预定最小电流的第二参考电压。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括监测所述自动调零比较仪的输出，以便确定所述感测电压何时超过所述第一参考电压，以及所述感测电压何时变得低于所述第二参考电压。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括当所述感测电压超过所述第一参考电压时启动第一定时装置，如果在由第一定时装置定义的第一预定时间间隔之后感测电压超过第一参考电压，从所述输出断电。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括当所述感测电压小于所述第二参考电压时启动第二定时装置，如果在由第二定时装置定义的第二预定时间间隔之后感测电压小于第二参考电压，从所述供电设备的输出断电。
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