CN103200014A

CN103200014A - 维持功率特征(mps)受电装置(pd)

Info

Publication number: CN103200014A
Application number: CN2012105990526A
Authority: CN
Inventors: C·切鲁蒂; P·J·本泽尔; J·M·韦特罗特
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: US20130154603A1; CN103200014B; US20160028233A1; US9735577B2; US9152161B2

Abstract

描述了一种维持功率特征(MPS)受电装置(PD)。在一个或多个实施例中，MPS装置包括电流传感器，被配置成感测从电源设备(PSE)流向该PD的电流。基于电流感测的MPS装置还包括电流生成器，被配置成吸收电流以防止该PSE去除至该PD的功率。因而，该电流包括基于该PSE的MPS需求选择的电流幅度特性。在一些实施例中，电流被地吸收。在其他实施例中，该电流被存储装置吸收，例如包括在PD之内和/或在PD外部的存储装置。

Description

维持功率特征(MPS)受电装置(PD)

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2011年12月20日提交的名称为“基于电流感测的MPS(CURRENT SENSE BASED MPS)”的美国临时申请系列No.61/577814的权益。在此，通过引用美国临时申请系列No.61/577814的整体将其并入。

背景技术

以太网供电(PoE)技术描述了在以太网电缆中随同数据一起传递功率。其由IEEE802.3at-2009标准管控。功率以一般模式在以太网电缆中形成的两个或更多差动电线对上供应，并且功率来自于例如以太网开关的PoE使能网络装置内的电源，或者能够注入到以中跨电源运行的电缆中。PoE系统的基本要素是：1)电源设备(PSE)：一种例如开关的装置，在以太网电缆上提供(“源”)功率，和2)由PSE供电的受电装置(PD)，其消耗来自PSE的能量。受电装置的示例包括无线接入点、因特网协议(IP)电话机和IP相机。

发明内容

描述了一种维持功率特征(MPS)受电装置(PD)。在一个或多个实施例中，该MPS装置包括电流传感器，其被配置成感测从电源设备(PSE)流向该PD的电流。基于电流感测的MPS装置还包括电流生成器，其被配置成吸收电流以防止该PSE去除至该PD的功率。因而，该电流包括基于该PSE的MPS需求而选择的电流幅度特性。在一些实施例中，由地吸收该电流。在其他实施例中，由存储装置吸收该电流，例如包括在PD之内和/或在PD外部的存储装置。

提供本发明内容是为了以简化形式引入概念的选择，以下在具体实施方式中对其进行更进一步的描述。本发明内容不旨在标识所请求保护主题的关键特征或者本质特征，也不旨在用于帮助确定所请求保护主题的范围。

附图说明

参照附图来描述具体实施方式。在说明书和附图中，在不同情况下使用相同附图标记可以指示相似或者相同对象。

图1是示例依照本公开的示例实施例的基于电流感测的MPS电路的电路图；

图2是示例使用依照本公开的示例实施例的基于电流感测的MPS装置所产生的示例电流波形的图形，其中PoE标准的一个特定实施例需要电流生成器以最多每隔250毫秒(250ms)的间隔激活最少75毫秒(75ms)，75毫秒在附图中显示为Ton，250毫秒在附图中显示为Toff；

图3是示例用于依照本公开的示例实施例的基于电流感测的MPS装置的电流传感器电路的电路图，该基于电流感测的MPS装置诸如是包括图1中所示的基于电流感测的MPS电路的装置；

图4示例用于依照本公开的示例实施例的基于电流感测的MPS装置的脉冲生成器电路的电路图，该基于电流感测的MPS装置诸如是包括图1中所示的基于电流感测的MPS电路的装置；

图5示例用于依照本公开的示例实施例的基于电流感测的MPS装置的电流生成器电路的电路图，该基于电流感测的MPS装置诸如是包括图1中所示的基于电流感测的MPS电路的装置；

图6是依照本公开的示例实施例，用于驱动PD的脉冲宽度调制(PWM)电流的示意图；

图7是依照本公开的示例实施例，用于PD的电流受控开关的示意图；

图8是依照本公开的示例实施例，用于PD的降压转换器的示意图；

图9是依照本公开的示例实施例，用于PD的电荷泵的示意图。

具体实施方式

概述

一种由PoE标准定义的措施使得PSE能够检测有效负载；一旦检测出有效负载，其开始向有效负载提供功率。根据PoE标准，在受电装置被拔去之后，PSE可能不维持通电，因为受电电缆能够被插入到不需要功率的装置中。802.3at标准定义两个方法用于PSE感测何时PD被拔去，两个方法为交流(AC)断开和直流(DC)断开，允许实施者选择最适于他们的系统的方法。DC断开基于从PSE流向PD的DC电流量来确定PD的存在。当电流保持在大约5毫安(5mA)以下大约400毫秒(400ms)时，PSE假定PD不存在并关断功率。实现AC断开的PSE测量以太网端口的AC阻抗。当断开时，该端口应该是高阻抗(例如，提供几兆欧姆(M欧姆)的阻抗)。

PD一般被设计成包括向基于微处理器/微控制器的电路提供功率的高效DC到DC功率转换器。例如，DC到DC功率转换器可以被配置成将50伏(50V)的电压转换为大约3伏(3V)到5伏(5V)范围内的电压。由于DC到DC转换器的效率和许多微控制器特有的低功率模式，PD可以偶尔消耗少量功率。在电流下降到该标准指示的阈值以下的情况下，采用DC断开的PSE将去除至PD的功率。然后，PSE可以启动新的措施来感测负载。一旦已经检测出负载，PSE将要再次向PD提供功率，导致PD的不期望的“打嗝(hiccup)”操作。例如，由PSE供电的PD，其吸收10毫安(10mA)以下的电流，能够被PSE认为是开路负载并与电源断开。因而，依照PoE标准，应该提取最小电流以提供维持功率特征(MPS)。然而，许多应用所需要的功率可以比PoE标准提供的最小值更小。

因为当PD不吸收最小电流时，它是断开的，所以一种技术是增加固定电流源，其和该装置的电路的最小功率消耗一起，使得电流在该标准所明确的最小限度以上。然而，此方法降低了空闲时间的系统效率，因为它迫使从PSE提取最小稳态功率。在PoE系统中，能够传递给某一PD的电流预算取决于其分类并具有上限，在跳闸时，上限可以认为是故障以致于PD断开。在这点上，当提取固定电流时，其通过固定电流自身减小用于总可用功率的实际预算。这也导致稳定的功率消耗。

相应地，描述了一种MPS装置。MPS装置被配置为感测从PSE流向PD的电流，并吸收来自PSE的电流脉冲，防止PSE去除至PD的功率。能够依照，例如PoE标准来选择该电流感测阈值和脉冲特性(定时和电流幅度)以最小化额外功率消耗。本公开的技术可以应用于任何PD，以防止在PD仅需要小电流操作时，PSE断开功率。例如，依照本公开的PD可以用于以下，包括但并非必须限于：无线接入点、IP电话机和/或IP相机。此外，MPS电路可以与受电天线一起使用，例如，用于识别作为电网的部分的天线，而不启动到该天线的无线电功率。在一些情况下，电流被地吸收。在其他情况下，电流被存储装置吸收，存储装置例如是PD中的存储装置。例如，无源开关能够用于为至PD的输入端的电容器充电。在实施例中，无源开关能够使用受控电流以避免负载变动。降压(buck)类型的切换器也能够用来向存储电容器传送能量。在一些情况下，连续模式用于降压类型的切换器。此外，一个或多个开关电容器能够用于储存来自PD吸收的电流的能量。

基于电流感测的MPS包括电流感测电路，其被配置为探测何时PD电流消耗下降到某一阈值以下，这里由Iref表示。在实施例中，考虑到其扩展，Iref能够被选择以便Iref大于PoE标准规定的DC断开电流，由Iport_MPS表示。示例MPS标准(例如802.3at标准)需要提取的电流在75毫秒(75ms)的最小持续时间内等于或者大于10毫安(10mA)的最小输入电流Iport_MPS，随后是不长于250毫秒(250ms)的可选MPS信号遗失。基于电流感测的MPS能与PD一起在PoE系统中使用，以甚至在轻负载条件下维持功率特征，同时保持效率并且不减小电流预算。在实施例中，电流传感器和比较器感测流入PD的电流，并将其与固定阈值(例如12毫安(12mA)进行比较，其中PoE标准设定的最小值是10毫安(10mA))。

示例实施例

现在参照图1和2，描述了基于电流感测的MPS受电装置(PD)100。PD100包括：电流传感器102，其被配置为感测从PSE流向PD100的电流；和电流生成器104，其被配置为吸收电流以防止PSE去除至PD100的功率。在实施例中，当PD100的电流比较器106感测到电流Ipd低于期望阈值(例如，Iport_MPS)时，激活脉冲生成器108。考虑到时基(例如，802.3at标准描述的)的可能扩展，脉冲生成器108能够被配置为依照选择的以遵守标准的定时来将电流源驱动为开通和关断，标准诸如是先前描述的IEEE802.3at标准)。例如，脉冲生成器108能够被配置为使得其“开通”时间Ton是至少大约80毫秒(80ms)并且其“关断”时间Toff是至少大约240毫秒(240ms)。致能时由脉冲生成器108驱动的电流源能够被配置为产生电流，该电流的总计至少为由Ipd表示的最小可能电流，使得在脉冲生成器108的“开通”时间期间，由该装置提取的总电流大于Iport_MPS指定的最小值。例如，能够如下确定表示由该装置提取的总电流的Itot：

Itot＝Imps+Ipd

在实施例中，考虑到Imps精度限制，Itot选择为大于Iport_MPS。如图1中所示，电流传感器102读数被配置为不受Imps电流的影响。图2中提供了PD产生的示例Imps电流波形，PD使用上述基于电流感测的MPS电路。

然而，图1和2中描述的配置是参照具体配置通过范例方式来说明的，并不意图限制本公开。在其他实施例中，由电流感测直接激活的稳定电流源能够与基于电流感测的MPS一起使用。应该注意，这种类型的实施例可能不需要脉冲生成器。然而脉冲电流源可以允许从PSE提取的平均电流维持比其稳定功率特征低相当多的功率特征。例如，在上述具体示例中，平均电流可以仅仅是峰值Imps的大约四分之一(1/4)。

电流生成器块的另一实施例使用连续受控电流源。可以如下描述Imps：

Imps＝Iport_MPS-Ipd+Imargin

在此配置中，Imargin考虑了Ipd读数的扩展以及Imps精度。此实施例可以使用Ipd电流的精确模拟读数和实现上述等式的模拟块。此外，能够增加定时器以控制连续受控电流源的“开通”和“关断”状态。

在一些实施例中，当电流小于12毫安(12mA)时，定时生成器电路被激活，并且在消隐时间之后，其以定时驱动电流源(例如12mA)。这通知PSE仍存在负载，并且PSE维持至PD的功率。此外，平均电流能够是最小的，因为占空比不是百分之百(100％)，因为就最小脉冲持续时间(Ton)和最大信号遗失(dropout)(消隐时间和Toff)考虑了标准规范。

现在参照图1和3，在PD应用中，能够使用开关将电容器与以太网隔离。这能够使用例如用作开关的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现。电流传感器102的集成电路实施例示于图3中，其中MP1是电源开关，且MP2是MP1的n倍缩小型(例如，其中n等于一千(1000))。由Q1、Q2和MP3形成的电路迫使MP2的漏极与MP1处于相同的电压。因为MP2的全部端子处于与MP1相同的电压水平，所以其漏极电流为Ipd/n。归因于流进MP2的I2(偏置电流)的系统偏移量由I3补偿，I3在进入MP4之前总计为Ipd/n。电流镜MP4和MP5用来比较Ipd/n与电流Iref/n(例如，大约20微安(20μA)，例如，将阈值设定为大约20毫安(20mA))。在本公开的实施例中，由MP4和MP5形成的电流镜具有至少大约1比1(1∶1)的比率。当Ipd低于Iref时，MOS变极器X1的输出升高。应该注意，电容器能够增加至到GND的MP3栅极，用于环路的AC补偿。

现在参照图1和4，脉冲生成器108能够用于以与PoE标准(例如，先前描述的IEEE802.3at-2009标准)中明确的脉冲最小持续时间和MPS信号遗失规范一致的定时激活电流源。可能的实施例是基于时钟信号的脉冲生成器108。在图4中所示的示例中，输入时钟具有Tin时段。在一些情况下，可以使用Ton＝Toff/3(即，25％占空比)的实施例(例如用图4中描述的电路)。在图4所示的示例中，占空比至少大约等于Ton/Tout，其等于Tin*2^(n-2)/Tin*2ⁿ，其等于2^(-2)，其等于四分之一(1/4)。能够用解码器逻辑电路和由n个D型触发器形成的异步下行二进制计数器来实现此配置。一旦IN升高，以第一时钟增量，触发器的全部Q端升高，开始“开通”时段的OUT也升高。然后，在Tin*2^(n-2)之后，OUT再降低。Tout时段是Tin*2ⁿ。因而，占空比是25％。能够选择输入时钟频率以得到特定Tout时段。取决于时基的过程扩展，依照该标准所明确的脉冲最小持续时间和MPS信号遗失，可以使用不同的占空比。在实施例中，能够使用状态机来选择从时钟源开始的适当的Ton和Toff.

现在参照图1和5，能够实施包括电流生成器104的集成电路(IC)以用于具有电流镜的基于电流感测的MPS。在一些实施例中，I-V和V-I转换可以用来获得镜比率的精度，尤其是当该比率高时。在这些实施例中，可以使用匹配电阻器。图5所示的实施例使用注入R2(其值是R1的n倍大)的电流Iref，并经由作为V-I转换器所连接的OTA1(运算跨导放大器)和MN1在R1上出现。在图5所示示例中，Iref代表精确修整的电流并可以具有最小的温度依赖性。MN2、MN3、和MP1能够用于开通和关断电流。给定n＝100的实施例，Iref能够低到100微安(100μA)以在输出端得到10毫安(10mA)。

尽管本公开提到使用用于PD的适用的维持功率标准的现有技术来配置基于电流感测的MPS，但是应该注意到，包括基于电流感测的MPS电路的PD可以被配置成学习用于PSE的特定实施例的MPS配置，设定等于或者大于标准的阈值。例如，基于电流感测MPS电路能够被配置成递增地调整由电流生成器104生成的电流的大小、由电流生成器104生成的电流持续时间、和/或电流生成器104周期开通和关断的频率，直到减少和/或消除该PD的操作中的“打嗝”。例如，用于电流生成器104的Ton时间能够被从约75毫秒(75ms)以5毫秒(5ms)的增量调高直到PD保持由PSE一致地供电。此外，用于电流生成器104的Ton时间能够被调整为下降，直到发现PD一致地保持开通的最低阈值。

现在参照图6，脉冲宽度调制(PWM)电流能够用于驱动PD。在图6所示的示例中，能够利用内部生成的Vdd来操作PD，Vdd小于至少大约48伏(48V)。经由金属氧化物半导体的电流可以是脉冲宽度调制的，使得Imos在至少大约75毫秒(75ms)中大于至少大约10毫安(10mA)，在连续的脉冲之间不超过至少大约250毫秒(250ms)。在实施例中，能够利用调节器来滤除V+上的纹波。在本公开的实施例中，在PSE上的负载时段期间存储PD吸收的能量。在一些实施例中，能量存储在PD中，而在其他实施例中，能量存储在PD外部的存储装置中。通过存储PD吸收的能量，PD能够更高效地操作。此外，在PD将另外地提取小于诸如802.3at标准的标准规定的量的连续(或者基本上连续)的电流量的实例中，对于非连续时间间隔以较高电流水平将电流吸收至PD能够防止PSE去除至PD的功率，而存储能量能够允许PD操作的效率达到或接近在它以较低电流水平连续提取电流时将具有的效率。

现在参照图7，电流受控开关能够实施为吸收电流来驱动PD，其中I大于至少大约10毫安(10mA)，且I/C*dt大于至少大约PSE的Vs减V+(例如，其中dt等于至少大约60毫秒(60ms))。

现在参照图8，用于PD的降压转换器负载能够以连续模式和/或间断模式运行。降压转换器能够于吸收电流来驱动PD。例如，降压转换器的切换调节器在Ton时段期间操作，其中它呈现超过例如10毫安(10mA)的连续负载以防止PSE去除至PD的功率。在本公开的实施例中，此能量存储在诸如电容器和/或电池的存储装置中以在Toff时段期间由PD使用。

现在参照图9，用于PD的电荷泵能够用作用于PD的电流负载(例如，取决于V+电压)。应该注意到，尽管附图中示例了双相电荷泵配置，但是该配置仅仅是举例说明，不旨在限制本公开。因而在其他配置中，具有交叠的双相电荷泵和/或具有交叠的三相电荷泵能够与PD一起使用。

结论

如在此所使用的，术语“大约”将意指大约和/或精确地相对于指定的值的值或范围。虽然已经用特定于结构特征和/或过程操作的语言描述了主题，但是应当理解的是，所附权利要求所定义的主题不必须限于如上所述的具体特征或者动作。相反地，作为实现权利要求的示例形式来公开上述的具体特征和动作。

Claims

1.一种基于电流感测的维持功率特征(MPS)受电装置(PD)，包括：

电流传感器，被配置成感测从电源设备(PSE)流向所述PD的电流；以及

电流生成器，被配置成吸收电流，以防止所述PSE去除至所述PD的功率，所述电流包括基于所述PSE的MPS需求选择的电流幅度特性。

2.如权利要求1所述的基于电流感测的MPS装置，其中，所述电流的所述电流幅度特性是基于IEEE802.3at-2009标准选择的。

3.如权利要求1所述的基于电流感测的MPS装置，其中，由所述电流生成器生成的所述电流具有选择的大小，使得当所述电流生成器激活时，由所述PD提取的总电流至少为大约10毫安(10mA)。

4.如权利要求1所述的基于电流感测的MPS装置，其中，所述电流生成器被配置成吸收包括基于所述PSE的MPS需求选择的定时特性的电流的脉冲。

5.如权利要求4所述的基于电流感测的MPS装置，其中，所述电流生成器被配置成在至少大约75毫秒(75ms)中吸收电流的所述脉冲，在连续脉冲之间不超过至少大约250毫秒(250ms)。

6.如权利要求1所述的基于电流感测的MPS装置，其中，由所述电流生成器生成的所述电流具有考虑到由所述电流传感器感测的电流的误差容限而选择的大小。

7.如权利要求1所述的基于电流感测的MPS装置，其中，当由所述PD提取的总电流大于所述PSE的阈值MPS需求时，所述电流生成器被配置成被关断。

8.一种用于维持供应至维持功率特征(MPS)受电装置(PD)的功率的方法，所述方法包括：

感测从电源设备(PSE)流向所述PD的电流；以及

吸收电流，以防止所述PSE去除至所述PD的功率，所述电流包括基于所述PSE的MPS需求选择的电流幅度特性。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电流的所述电流幅度特性是基于IEEE802.3at-2009标准选择的。

10.如权利要求8所述的方法，其中，由所述电流生成器生成的所述电流具有选择的大小，使得当所述电流生成器激活时，由所述PD提取的总电流至少为大约10毫安(10mA)。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述电流生成器被配置成吸收包括基于所述PSE的MPS需求选择的定时特性的电流的脉冲。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述电流生成器被配置成在至少大约75毫秒(75ms)中吸收电流的所述脉冲，在连续脉冲之间不超过至少大约250毫秒(250ms)。

13.如权利要求1所述的方法，其中，由所述电流生成器生成的所述电流具有考虑到由所述电流传感器感测的电流的误差容限而选择的大小。

14.如权利要求1所述的方法，其中，当由所述PD提取的总电流大于所述PSE的阈值MPS需求时，所述电流生成器被配置成被关断。

15.一种维持功率特征(MPS)受电设备(PD)，包括：

能量存储装置，被配置成接收从电源设备(PSE)流向所述PD的电流；以及

电流生成器，被配置成吸收至所述能量存储装置的电流的脉冲，以防止所述PSE去除至所述PD的功率，所述电流包括基于所述PSE的MPS需求选择的电流幅度特性和基于所述PSE的MPS需求选择的定时特性。

16.如权利要求15所述的基于电流感测的MPS装置，其中，所述电流的所述电流幅度特性是基于IEEE802.3at-2009标准选择的。

17.如权利要求15所述的基于电流感测的MPS装置，其中，由所述电流生成器生成的所述电流具有选择的大小，使得当所述电流生成器激活时，由所述PD提取的总电流至少为大约10毫安(10mA)。

18.如权利要求15所述的基于电流感测的MPS装置，其中，所述电流生成器被配置成在至少大约75毫秒(75ms)中吸收电流的所述脉冲，在连续脉冲之间不超过至少大约250毫秒(250ms)。

19.如权利要求15所述的基于电流感测的MPS装置，其中，由所述电流生成器生成的所述电流具有考虑到由所述电流传感器感测的电流的误差容限而选择的大小。

20.如权利要求15所述的基于电流感测的MPS装置，其中，所述能量存储装置包括电容器或者电池中的至少一种。