ПРИНУДИТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД СГЛАЖИВАЮЩЕГО КОНДЕНСАТОРА В ПИТАЕМОМ УСТРОЙСТВЕ
FORCED BULK CAPACITOR DISCHARGE IN POWERED DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройствам, выполненным для соединения, с возможностью отсоединения, с источником питания в системе распределения мощности, а также к способам и компьютерным программным продуктам для их реализации на таких устройствах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Power-over-Ethernet (мощность через сеть Ethernet), PoE, представляет собой технологию, используемую для подачи мощности к устройствам через, как правило, тот же кабель Ethernet, который обеспечивает возможность подключения для передачи данных. В недавних разработках PoE используется, чтобы обеспечивать мощностью устройства освещения, где каждое устройство освещения представляет собой питаемое устройство (Powered Device), PD, в соответствии со стандартом PoE (например, стандарты IEEE 802.3af/at). Такое PD обеспечивается мощностью от оборудования энергоснабжения, PSE, что позволяет легко устанавливать систему освещения. Желательно изготавливать системы распределения мощности эффективными так, чтобы потери мощности были небольшими. В настоящее время разрабатывается новый стандарт PoE (т.е. Стандарт IEEE 802.3bt), и повышение эффективности использования мощности является одним из аспектов этого нового стандарта, к которому он будет обращаться.
Патентная публикация США 2013/154603 A1 раскрывает использование датчика тока, основанного на Maintain Power Signature (сигнатура поддержания мощности) (MPS), так что питаемое устройство (PD) может принудить оборудование энергоснабжения (PSE) продолжать подачу мощности в PD.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретатели поняли, что в системах распределения мощности важным аспектом, вызывающим неэффективное использование энергии, являются требования к минимальному потреблению мощности, такие как требование обеспечивать сигнал Keep-Alive (сигнал удерживания порта в открытом состоянии) в режиме ожидания. Например, в PoE, MPS создается PD таким образом, что PSE знает, что порт, к которому подсоединяется PD, следует оставлять обеспеченным мощностью. Если, например, устройство освещения переходит в режим ожидания, в котором отсутствует световыход, но там, где оно должно оставаться управляемым (например, включаться, когда принимается команда на это действие), тогда генерирование сигнала Keep-Alive (например, MPS) создает потери мощности. Для одного устройства освещения эти потери могут показаться небольшими, но в здании с тысячами устройств освещения эти потери быстро суммируются.
Когда минимальное количество тока, которое устройство должно потреблять из источника питания для того, чтобы этот источник питания оставался в режиме подачи мощности к питаемому устройству, устанавливается на очень низком значении, то это полезно, поскольку потери мощности уменьшаются. Однако в то же время это очень низкое значение тока, которое потребляется, может не быть обнаружено в системе распределения мощности на конце источника питания. В качестве примера предположим, что PD требуется потреблять 10мА в течение 7мс каждые 300мс, чтобы предотвратить отключение порта PSE, к которому подсоединяется PD. PD может быть выполнен так, что 7мс импульс тока 10мА генерируется каждые 300мс. Когда этот ток полностью потребляется из PSE, как источника питания, то PSE может обнаружить это потребление мощности и будет продолжать поставлять мощность, пока этот 7мс импульс тока 10мА повторяется каждые 300мс. Обычно PD содержит конденсатор, который сохраняет мощность и при определенных условиях, когда генерируется сигнал MPS, ток потребляется из конденсатора PD, а не из PSE. Здесь приводятся два неограничивающих примера. Во избежание сомнений, требования к минимальному потреблению тока, приведенные здесь, являются лишь примерами таких требований.
В качестве первого примера, если импеданс конденсатора для цепи генерации MPS в PD ниже, чем сопротивление источника PSE, импульс может изначально быть потреблен из конденсатора, а не непосредственно из PSE. В качестве второго примера, если имеется (например, внезапное) падение напряжения в мощности, поставляемой PSE (например, с 54В до 52В), напряжение на конденсаторе в PD будет выше, чем напряжение, подаваемое от PSE. Тогда импульс потребляется из конденсатора, и ни какой ток не потребляется из PSE до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет более низкого напряжения (например, 52В в этом примере), подаваемого от PSE. В результате, в обоих из этих примеров, мощность, потребляемая на стороне устройства (например, PD) системы распределения мощности, соответствует минимальному потреблению мощности, необходимому для источника питания (например, PSE), чтобы оставаться подающим мощность, однако потребление мощности, измеренное со стороны источника питания системы распределения мощности, возможно будет не соответствовать требованиям к минимальному потреблению мощности, поскольку мощность, потребляемая устройством, по меньшей мере, частично поставляется от одного или более конденсаторов в устройстве (например, в нагрузке, в физическом интерфейсе таком как интерфейс Ethernet).
В первом аспекте, формула изобретения представляет собой способ генерирования сигнала мощности в устройстве в системе распределения мощности, причем устройство содержит, по меньшей мере, один конденсатор, параллельный нагрузке устройства, при этом система распределения мощности содержит источник питания, выполненный для обеспечения мощностью устройство, когда, по меньшей мере, минимальный ток потребляется устройством из источника питания; способ содержит: измерение напряжения, по меньшей мере, на одном конденсаторе, в то время как устройство потребляет ток, управление устройством для потребления тока на основе измеренного напряжения, при этом устройство управляется, чтобы потреблять первый ток, пока измеренное напряжение уменьшается со временем и затем потреблять второй ток, равный или превышающий минимальный ток. Для всех практических целей напряжение, уменьшающееся со времени может быть измерено с учетом порогового значения - когда уменьшение со временем опускается ниже порогового значения, считается, что напряжение больше не уменьшается со временем.
Когда напряжение, по меньшей мере, на одном конденсаторе (например, сглаживающем конденсаторе) уменьшается, в то время как ток потребляется, это указывает на то, что ток, по меньшей мере, частично потребляется из конденсатора. Как следствие, ток не потребляется (напрямую) из источника питания. Поэтому на стороне источника питания в системе распределения мощности минимальный ток может не потребляться, каковой требуется для того, чтобы источник питания оставался поставляющим мощность в устройство (например, чтобы удерживать открытым электрическое соединение, чтобы предотвратить электрическое или другое разъединение, или для удерживания распределения мощности источника питания к устройству). Управляя устройством для потребления первого тока, ситуация, когда импеданс конденсатора в устройстве ниже сопротивления источника питания и/или ситуация, когда напряжение на конденсаторе в устройстве будет выше напряжения, подаваемого источником питания может быть преодолена. Когда импеданс конденсатора ниже сопротивления источника питания, по мере того как ток потребляется, напряжение на конденсаторе будет падать до достижения равновесия. В этот момент, управляя устройством, чтобы потреблять второй ток, ток подается от источника питания. Когда напряжение на конденсаторе выше напряжения на источнике питания, по мере того, как ток потребляется, напряжение на конденсаторе будет падать до достижения равновесия. В этот момент, управляя устройством, чтобы потреблять второй ток, ток подается от источника питания. Второй потребляемый ток, который подается из источника питания, должен, по крайней мере, вместе с первым потребляемым током соответствовать требованиям к минимальному току для источника питания, чтобы продолжать подачу мощности к устройству. Потребление тока соответствующее таким требованиям к минимальному току такому, как второй ток, соответствует таким требованиям к минимальному потреблению тока. В практической реализации, один и тот же ток потребляется как первый ток, а затем продолжается как второй ток. Например, генерируется импульс MPS, а вместо 7мс импульса генерируется 37мс импульс. После первых 30мс (первого тока), в этом примере, достигается равновесие, а конечные 7мс (второго тока) обеспечивают то, что из PSE поступает достаточный минимальный ток. В этом примере первый и второй ток представляют собой один потребляемый ток, каким является один импульс. Второй потребляемый ток может тогда соответствовать требованиям, установленным в стандарте PoE для MPS (например, он имеет продолжительность, что упоминается в таком стандарте как T_mps_pd). Может быть сделано предположение, что часть первого потребляемого тока поступает от PSE, и поэтому в варианте осуществления второй потребляемый ток меньше минимального тока, необходимого для того, чтобы PSE поддерживал поставку мощности к PD.
Измерение напряжения, по меньшей мере, на одном конденсаторе, в то время как ток потребляется, происходит, по меньшей мере, в то время, когда потребляется первый ток, чтобы определить, когда достигается равновесие (т.е. когда измеренное напряжение больше не уменьшается со временем или, по меньшей мере, уменьшается со скоростью меньшей, чем заранее задана).
В варианте осуществления способа первый ток больше чем второй ток. Это полезно, так как увеличивает скорость достижения равновесия. Первый потребляемый ток может, например, достигать достижения равновесия, а потребление второго тока удовлетворяет требованиям так, что минимальное потребление тока является достаточным для обнаружения со стороны источника питания в системе распределения мощности. В другом варианте осуществления второй ток больше, чем первый ток. Первый ток - это нормальный рабочий ток (например, 2мА, потребляемый микроконтроллером или за счет потерь), что приводит к медленному уменьшению напряжения на конденсаторе. Когда это падение напряжения измеряется (т.е. измерение напряжения происходит не во время импульса MPS, в этом примере, а в то время когда потребляется нормальный рабочий ток) PD может саморазряжаться с использованием более высокого тока (например, 50мА), чтобы избавиться от избыточного напряжения конденсатора, за которым следует импульс MPS (например, 10мА).
Может быть пропущен более высокий ток (50мА), и может использоваться более длинный импульс MPS.
В дополнительных вариантах осуществления способа, источник питания выполняется для поставки мощности к устройству, когда, по меньшей мере, минимальный ток потребляется в течение, по меньшей мере, первого периода времени в каждом втором периоде времени, и при этом второй ток равен или превышает, по меньшей мере, минимальный ток, и второй ток потребляется, по меньшей мере, в течение первого периода времени. Например, первый ток представляет собой импульсный ток, а длительность, по меньшей мере, одного импульса первого тока больше, чем первый период времени. В качестве другого примера первый ток представляет собой импульсный ток, и потребляемый ток в течение, по меньшей мере, одного импульса первого тока, превышает, по меньшей мере, минимальный ток.
В качестве примера, если потребляемый ток представляет собой импульсный ток, тогда он может принимать форму нескольких импульсов, прежде чем ток больше не будет поступать из конденсатора. Если один или несколько импульсов не обнаруживаются на стороне источника питания системы распределения мощности, источник питания может решить, например, отключить устройство. При потреблении одного или более длительных импульсов в качестве первого тока и нормального импульса в качестве второго тока более длительные импульсы достигают достижения равновесия с повышенной скоростью, и нормальный импульс удовлетворяет требованиям, так что минимальный потребляемый ток может обнаруживаться на стороне источника питания в системе распределения мощности. Такой большой импульс может содержать, например, импульс протяженной длительности или импульс большей амплитуды. Когда способ применяется к генератору импульсов, в зависимости от конфигурации генератора импульсов один из них может быть проще для реализации.
В еще одном варианте осуществления способа, способ дополнительно содержит: измерение тока, потребляемого нагрузкой, причем управление устройством для потребления тока выполняется только в том случае, если измеренный ток находится ниже заранее заданного порогового значения. Это выгодно, так как требования к минимальной мощности будут выполняться, когда устройство работает, а нагрузка потребляет достаточный ток. В таком случае, например, никакие импульсы тока не должны генерироваться, и нет необходимости выполнять измерение напряжения на конденсаторе. В качестве другого варианта, управление устройством для потребления тока выполняется только в том случае, если нагрузка находится в режиме ожидания. В предположении, что в рабочем режиме потребляется достаточный ток, чтобы источник питания продолжал поставку мощности в устройство, нет необходимости потреблять дополнительный ток.
В различных вариантах осуществления первый и/или второй ток потребляются любым из: управление нагрузкой для потребляемой мощности, управление резистивным компонентом для потребляемой мощности или управление накоплением мощности для накопления мощности. Например, светоизлучающий диод, LED, который является частью нагрузки, может быть включен, чтобы создать желаемое потребление тока и снабжать индикатор так, что устройство остается обеспеченным мощностью. Резистор может быть включен в устройство, например, в физическом интерфейсе PD, который управляется (например, через переключатель), чтобы потреблять ток. Физический интерфейс PD или нагрузка в устройстве может содержать дополнительный конденсатор, в котором можно накапливать мощность. Управляя этим конденсатором, можно потреблять первый и второй ток. Существуют различные другие способы, в которых первый и второй ток погут потребляться для того, чтобы генерировать сигнал мощности в устройстве.
В особенно предпочтительном варианте осуществления способ применяется для PoE. Устройство представляет собой питаемое устройство, PD, а источником питания является оборудование энергоснабжения, PSE, в соответствии со стандартом Power-over-Ethernet, PoE, и PSE выполняется для поставки мощности в PD, когда обнаруживается Maintain Power Signature, MPS. В еще одном варианте осуществления, по меньшей мере, один конденсатор в PD представляет собой сглаживающий конденсатор, контроллер выполняется для генерирования MPS, первый и второй ток вместе содержат один импульс, а второй ток содержит MPS. Это позволяет генератору импульсов в PD генерировать импульсы MPS (например, 10мА в течение 7мс каждые 300мс) и растягивать длительность импульса MPS, когда напряжение на сглаживающем конденсаторе падает (указывая на то, что ток потребляется из сглаживающего конденсатора). Например, 7мс импульс может быть растянут до 37 мс, где в первые 30мс напряжение на сглаживающем конденсаторе падает, а затем, когда достигается равновесие, последние 7мс гарантируют, что PSE способен обнаруживать MPS. Таким образом, как только становится известным, что ток будет потребляться из MPS, а не сглаживающего конденсатора, ток потребляется при длительности, по меньшей мере, той, что упоминается в стандарте MPS как T_mps_pd.
В планируемом к выпуску стандарте 802.3bt для PoE распознается дополнительный «тип» PSE. Минимальный ток для PSE, который должен быть потреблен PD из PSE, чтобы поддерживать соединение с PD открытым, варьируется среди нескольких типов PSE. В варианте осуществления способа, способ дополнительно содержит определение типа PSE, из которого PD принимает мощность, и устройство управляется, чтобы потреблять ток на основе определенного типа PSE. Например, для PSE Типа 1 или Типа 2 импульс, потребляемый PD, может составлять 10мА, тогда как для PSE Типа 3 или Типа 4 потребляемый импульс составляет 16мА - для PD Класса 5-8, и 10мА - для PD Класса 1-4.
Во втором аспекте, формула изобретения представляет собой компьютерный программный продукт для генерирования сигнала мощности в устройстве в системе распределения мощности, причем устройство содержит, по меньшей мере, один конденсатор, параллельный нагрузке устройства, при этом система распределения мощности содержит источник питания, выполненный для поставки мощности в устройство, когда устройство потребляет, по меньшей мере, минимальный ток от источника питания, причем компьютерный программный продукт содержит код компьютерной программы для выполнения способа, когда код компьютерной программы запускается на компьютерном устройстве. Такой компьютерный программный продукт может быть запущен, например, как встроенное программное обеспечение на микросхеме (наборе микросхем). По сути, в третьем аспекте, формула изобретения предствляет собой цифровую или аналоговую схему, выполненную для ее интеграции в питаемое устройство, PD, в соответствии со стандартом Power-over-Ethernet, PoE, при этом цифровая или аналоговая схема, выполняется для выполнения способа.
В четвертом аспекте, формула изобретения представляет собой устройство для приема мощности от источника питания в системе распределения мощности, при этом источник питания выполнен для поставки мощности в устройство, когда устройством потребляется, по меньшей мере, минимальный ток от источника питания, причем устройство содержит, по меньшей мере, одну нагрузку, по меньшей мере, один конденсатор, параллельный, по меньшей мере, одной нагрузке, контроллер, выполненный для генерирования потребления тока, и блок измерения напряжения, выполненный для измерения напряжения, по меньшей мере, на одном конденсаторе, в то время как устройство потребляет ток, при этом контроллер дополнительно выполняется для управления устройством, чтобы потреблять первый ток, пока измеренное напряжение уменьшается со временем и затем потреблять второй ток, равный или превышающий минимальный ток.
В варианте осуществления устройство представляет собой питаемое устройство, PD, а источником питания является оборудование энергоснабжения, PSE, в соответствии со стандартом Power-over-Ethernet, PoE, причем PSE выполняется для поставки мощности в PD, когда обнаруживается Maintain Power Signature, MPS, при этом, по меньшей мере, один конденсатор представляет собой сглаживающий конденсатор, при этом контроллер выполняется для генерирования MPS, и при этом потребление второго тока соответствует требованиям MPS соответствующего стандарта PoE (например, 10мА, потребленный в течение 7мс). Вместе с таким устройством, содержащим PD, устройство может также содержать микросхему (набор микросхем), которая должна быть использована в PD.
Следует понимать, что способ (реализованный посредством компьютера), компьютерный программный продукт и устройство имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения может быть любая комбинация зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чтобы помочь понять настоящее раскрытие и показать, как варианты осуществления могут быть введены в действие, делается ссылка, в целях примера, на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает схематично и примерно вариант осуществления системы распределения мощности,
Фиг. 2 показывает схематично и примерно вариант осуществления системы распределения мощности для применения в освещении,
Фиг. 3 показывает схематично и примерно вариант осуществления питаемого устройства для применения в освещении,
Фиг. 4А и 4В показывают схематически и примерно упрощенные принципиальные схемы PSE и PD,
Фиг. 5 показывает схематично и примерно Spice-моделирование тока, текущего после интерфейса PD,
Фиг. 6 показывает схематично и примерно Spice-моделирование первого тока MPS, потребляемого в PD, и наблюдаемого тока в PSE,
Фиг. 7 показывает схематично и примерно Spice-моделирование второго тока MPS, потребляемого в PD, и наблюдаемого тока в PSE,
Фиг. 8 показывает схематично и примерно Spice-моделирование, показывающее эффект от спада напряжения в PSE, а также
Фиг. 9 показывает схематично и примерно упрощенную принципиальную схему, применяющуюся для объяснения этого применения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно стандарту 802.3af/at Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), описывающему технологию Power-over-Ethernet, (PoE), питаемое устройство, (PD), обеспечивается мощностью от оборудования энергоснабжения (PSE) через кабель Ethernet. PSE представляет собой, например, коммутатор, а PD представляет собой, например, камеры интернет-протокола (IP), IP-телефоны, точки беспроводного доступа, светильники, датчики, вентиляторы и т.д. В соответствии со стандартом, PSE способен определять, является ли кабель отсоединенным, присоединенным к устройству, которое не относится к технологии PoE, или подсоединенным к PD, совместимому с PoE. Это выполняется в три этапа (которые следуют за состоянием Idle - не занят): этап обнаружения, этап классификации и этап классификации 2-х событий; после чего PD обеспечивается мощностью (в рабочем состоянии).
На этапе обнаружения, PSE определяет, подсоединяется ли PD. Во время этапа обнаружения PoE-совместимый PD обеспечит действующую сигнатуру обнаружения, используя конденсатор (50нФ - 120нФ) и резистор (25 кОм, присутствует только во время этапа обнаружения). В качестве примера, PSE может применять два напряжения в диапазоне от 2,8В до 10В и измеряет соответствующие токи для определения наличия сигнатурного резистора. Также допускаются другие методы, такие как вытекающий ток. На этапе классификации, PSE и PD распознаются как Тип-1, соответствующий уровням мощности (12,95 Вт) по стандарту IEEE 802.3af, или Тип-2, соответствующий уровням мощности (25,5 Вт) по стандарту IEEE 802.3at. Кроме того, стандарт 802.3at обеспечивает другой способ определения классификации мощности. PSE Типа-2 имеет возможность запрашивать классификацию мощности PD, путем выполнения классификации 2-х событий (уровень 1) или путем связи с PD (уровень 2). В то же время PD Типа-2 должен быть способен идентифицировать PSE Типа-2 и обмениваться данными по уровням 1 и 2. В ходе классификации 2-х событий PSE обеспечивает фиксированное напряжение между 15,5В и 20,5В для PD.
После определения того, что PD является присоединенным (и дополнительной классификации мощности) PSE обеспечивает питанием PD, до тех пор, пока PD больше не использует мощность. Стандарт оговаривает, что если PD практически не требует мощности, например, в режиме ожидания, PD должен генерировать Maintain Power Signature (MPS). Согласно IEEE 802.3at, MPS состоит из двух компонентов, компонента MPS переменного тока и компонента MPS постоянного тока. PSE должен контролировать компонент MPS постоянного тока, компонент MPS переменного тока или оба из них. Компонент MPS переменного тока присутствует, когда обнаруживается импеданс переменного тока на интерфейсе мощности, равный или ниже чем 27кОм. Если PSE не обнаруживает никакого MPS, то PSE может отключить мощность для PD. Это не позволяет PSE подавать мощность на порт, который был отсоединен, что в свою очередь не позволяет человеку, прикоснувшемуся к такому порту (или кабелю, подключенному к этому порту), получить удар электрическим током. В качестве другого примера, это может предотвратить повреждение устройства, не относящегося к технологии PoE, когда оно подсоединяется к порту PSE, к которому подается мощность.
В настоящее время появляются обсуждения по использованию стандарта PoE для всех видов нагрузок, таких как осветительное оборудование (датчики, переключатели, источники света и т.д.) или бытовые приборы для развлечений, такие как активные динамики, интернет-радиоприемники, DVD-проигрыватель, телевизионные приставки и даже телевизоры. Будущий стандарт к тому же необходим, чтобы поддерживать более высокие уровни мощности, такие как уровни до 60Вт или более на соединение Cat5/6. Такие обсуждения не только продолжаются в отношении PoE, но также относятся к другим (аналогичными) стандартам, таким как стандарт Occupated Space от EMerge Alliance или стандарт USB Power Delivery (поставка мощности через USB). Вместе с этой эволюцией устройств с более высокой мощностью, обеспечиваемых мощностью от таких систем распределения мощности, имеется также эволюция того, что количество устройств, которые обеспечиваются мощностью от этих систем, увеличивается. Поэтому необходимо разработать систему распределения мощности с повышенным электрическим кпд.
Стандарты IEEE 802.3af/at определяют систему распределения мощности и данных, которая допускает распределение мощности и данных через кабель Ethernet с витой парой. Согласно этому стандарту потребители электропитания могут быть подсоединены к коммутатору для приема мощности из коммутатора, и для обмена данными, причем коммутатор содержит несколько портов, и к каждому порту может быть подсоединен потребитель электропитания. Ethernet - это семейство компьютерных сетевых технологий для локальных сетей (LAN). Ethernet был коммерчески представлен в 1980 году и стандартизован IEEE в 1985 году как IEEE 802.3. Ethernet в значительной степени заменил конкурирующие технологии проводной LAN. Стандарты Ethernet содержат несколько вариантов проводки и передачи сигналов физического уровня стандарта Open System Interconnection (Взаимодействие Открытых Систем), (OSI), в использовании с Ethernet. Исходный стандарт Ethernet 10BASE5 использовал коаксиальный кабель в качестве коллективно используемой среды. Позже коаксиальные кабели были заменены витой парой и волоконно-оптическими линиями в сочетании с концентраторами или коммутаторами. Стандарт Ethernet 10BASE-T был разработан только для соединений типа «точка-точка», и все оконечные устройсва были встроены в устройство Ethernet. Высокоскоростные соединения используют исходное авто-согласование для согласования скорости, режимы полудуплекс и полный дуплекс, а также конфигурацию master/slave (ведущий/ведомый). Это авто-согласование основано на импульсах, аналогичных тем, которые используются устройствами 10BASE-T, для обнаружения присутствия соединения с другим устройством. Когда авто-согласование завершено, устройства отправляют байты Idle, когда нет отправки данных, чтобы поддерживать связь.
PoE является активным стандартом, который позволяет PSE поставлять электроэнергию к отдельным сетевым потребителям электропитания, таким как маршрутизаторы, коммутаторы, диспетчеры принтеров и т.д. через их стандартное соединение по кабелю Ethernet. Фиг. 1 показывает обычную архитектуру системы освещения на основе PoE с центральным устройством 1 источника питания (например, PSE) с множеством выходных портов 12 с поддержкой технологии PoE. Для каждого устройства 2 нагрузки один из выходных портов 12 подключается с помощью кабелей 3 категории 5/6 с разъемами. В примере на фиг.1, устройство 2 нагрузки представляет собой лампу PoE, которая заключает в себе источник 26 света и контроллер/схему 20 возбуждения PD. Другие устройства нагрузки также могут содержать вентиляторы, датчики или устройства пользовательского интерфейса, такие как дисплеи или коммутационные панели. Устройство 1 мощности содержит контроллер 10 PSU, который управляет для каждого отдельного выходного порта 12 приложенным напряжением и отслеживает перегрузку относительно запроса на мощность, сообщаемого контроллером 20 PD каждого устройства нагрузки.
Фиг. 2 показывает схематично и примерно вариант осуществления системы 100 распределения мощности для применения в целях освещения, содержащей устройство 1 энергоснабжения для снабжения мощностью питаемого устройства 2, 3 и 4. Устройство 1 энергоснабжения содержит несколько портов 12, к которым питаемые устройства 2, 3 и 4 подсоединяются через кабели 13 Ethernet, которые адаптированы для передачи подаваемой мощности вместе с данными. Устройство 1 энергоснабжения принимает входную мощность через электрическое соединение 15, которое может быть непосредственно подсоединено к сетевой розетке (не показана на чертеже), а данные могут быть приняты от другого устройства (не показано на чертеже), например, коммутатора через другой кабель 14 Ethernet. Из принятой мощности блок 11 энергоснабжения генерирует мощность, которая будет поступать к питаемым устройствам 2, 3 и 5 через управляющий модуль 18 устройства мощности. Данные могут быть обработаны процессором 19 сетевых данных перед их отправкой на соответствующее питаемое устройство 2, 3 или 4 через управляющий модуль 18 устройства мощности.
Здесь питаемые устройства 2, 3 и 4 включают в себя светильники 2, переключающий элемент 3 и датчик 4 присутствия. Они могут быть адаптированы таким образом, что переключающий элемент 3 и/или датчик 4 присутствия посылают команды регулирования яркости освещения на светильники 2 через коммутатор 1 после того, как переключающий элемент 3 был активирован человеком и/или присутствие человека было обнаружено датчиком 4 присутствия.
Светильник 2 схематически и примерно показывается более подробно на фиг. 3. Светильник 2 содержит электрическую нагрузку 26, в этом варианте осуществления, светоизлучающий диод (LED). Светильник 2 содержит блок 102 для обеспечения мощностью электрической нагрузки для генерирования из мощности, поставляемой блоком 1 энергоснабжения, мощности электрической нагрузки и для подачи мощности электрической нагрузки на электрическую нагрузку 8. Кабель 13 Ethernet подсоединяется к гнезду 20 светильника 2. Передаваемая мощность вместе с данными подается на разделитель 210 данных и мощности через канал 250 данных и мощности. Разделитель 210 данных и мощности разделяет мощность и данные, передаваемые кабелем 13 Ethernet. Отделенные данные затем передаются далее через канал 255 данных, а отделенная мощность передается далее через канал 251 мощности. Разделитель 210 данных и мощности содержит, например, магнитную цепь для разделения сигналов мощности и данных.
Светильник 2 дополнительно содержит контроллер 211 питаемого устройства для идентификации светильника 2 в системе PoE (и, опционально, для согласования класса мощности с коммутатором 1). Блок 102 обеспечения мощности электрической нагрузки содержит схему 212 возбуждения электрической нагрузки для генерирования из мощности, полученной устройством 1 энергоснабжения, которая принимается схемой 212 возбуждения электрической нагрузки через контроллер 211 питаемого устройства, мощность электрической нагрузки и для подачи мощности электрической нагрузки к LED 26 (и, опционально, контроллер 213 мощности электрической нагрузки для определения мощностного уровня мощности электрической нагрузки, так, что входной ток, потребляемый питаемым устройством 2 из устройства 1 энергоснабжения, максимизируется ниже заранее определенного верхнего порогового значения входного тока, например, 0,6А, определенного стандартом PoE 802.3at для класса 4 мощности, и для отправки сигнала управления мощностью, указывающего определенный уровень мощности через канал 254 сигнала управления, на схему 212 возбуждения электрической нагрузки). Схема 212 возбуждения электрической нагрузки адаптируется для генерирования из поставляемой мощности мощность электрической нагрузки, в соответствии с сигналом управления мощностью, принятым от контроллера 213 мощности электрической нагрузки. Мощность электрической нагрузки подается от схемы 212 возбуждения электрической нагрузки к LED 26 через канал 253 мощности электрической нагрузки. Схема 212 возбуждения электрической нагрузки адаптируется для генерирования мощности электрической нагрузки, за счет генерирования соответствующего тока возбуждения электрической нагрузки для возбуждения LED 26. Блок 102 обеспечения мощности электрической нагрузки, в частности, контроллер 213 мощности электрический нагрузки, или схема 212 возбуждения электрической нагрузки может быть адаптирован к фильтру нижних частот сигналом управления.
На фиг. 4А и 4В показывается упрощенная схема PSE/PD, выделяющая фильтрующий элемент CBULK и импеданс кабеля (сопротивление+индуктивное значение). На фиг. 4А генератор 43 сигналов MPS располагается между интерфейсом PD (содержащим FET (полевой транзистор) 41 с горячим переключением) и PSE; а на фиг. 4B генератор 46 сигналов MPS располагается между интерфейсом PD (содержащим FET 44 с горячим переключением) и нагрузкой. Эти принципиальные схемы иллюстрируют основную проблему, наличие канала 411, 413 нежелательного тока, где MPS обеспечивается сглаживающим конденсатором. В то время как в канале 410, 412 желаемого тока MPS потребляется из PSE. Когда MPS или другой ток, основанный на требовании к минимальному току, по меньшей мере, частично не потребляется из источника питания (например, PSE), тогда, когда измеряется на стороне источника питания системы распределения мощности, требование к минимальному току может не выполняться. Такое требование устанавливается, чтобы позволить, например, PSE определить, становится ли устройство PD отсоединенным от кабеля. В таком случае PSE должен быстро снять напряжение, чтобы избежать присутствия напряжений PoE на открытом разъеме. Другими словами, MPS - это сигнатура минимальной мощности, которую PD должен извлечь, чтобы оно оставалось обеспеченным мощностью.
При подключении к PSE Типа-1 или Типа-2, этот MPS определяется равным 10мА. Этот ток называется IHold. Этот количественный параметр устанавливает нижнее граничное потребление мощности, по меньшей мере, на 50В*10мА=500мВт. Этот нижний граничный предел слишком высок, чтобы достигать режима ожидания с низким уровнем, поэтому стандарт также имеет предписание для рабочего цикла этого тока. Правило заключается в том, что ток IHold должен присутствовать только в течение 75мс в каждом 325мс периоде. Это уменьшает нижнее граничное потребление энергии до 115мВт. Ожидается, что поправка 802.3bt представит два новых типа: Тип 3 и Тип 4. Они получат другие характеристики MPS, чем Тип 1 и Тип 2. Тип 3 и Тип 4 требуются, чтобы показывать MPS в течение 7мс в каждом 300мс периоде. Величина тока зависит от максимальной мощности PD. Если мощность ниже или равна 30Вт (класс 4 мощности), уровень IHold равен 10мА, идентичный спецификации Типа 1 и 2. Если мощность превышает 30Вт (класс 5 и выше), требуемый ток составляет 16мА.
Чтобы применение с источниками освещения PoE было эффективным, желательно, чтобы мощность режима ожидания поддерживалась на уровне как можно более низком. Поэтому эти обновленные требования к минимальному потреблению мощности являются благоприятными, но все же такие импульсы низкого потребления мощности могут самопроизвольно потребляться, например, из сглаживающего конденсатора CBULK на стороне PD и являться затем невидимыми для токочувствительного механизма со стороны PSE. Это может привести к тому, что PSE отключит мощность от PD, что является очень нежелательным.
Тот эффект, что импульс, потребляемый устройством (например, PD), не потребляется из источника питания (например, PSE), может быть вызван разными причинами. В качестве первого примера, этот эффект вызывается различием в импедансе между источником напряжения PSE и сглаживающим конденсатором с точки зрения электрики схемы генерирования MPS. Если импеданс сглаживающего конденсатора намного ниже, чем сопротивление источника PSE, сглаживающий конденсатор первоначально будет обеспечивать весь ток MPS до достижения нового равновесия по постоянному току между источником PSE и сглаживающим конденсатором. Для этих коротких импульсов наибольшая часть импульса может быть подпитана конденсатором. Это приводит к тому, что PSE не наблюдает импульс MPS и может отключить PD. LTspice-моделирование (см. фиг. 5) показывает, что с использованием сглаживающего конденсатора 220мкФ типичного PD импульс MPS почти невидим (т.е. потребление 51 тока ничтожно мало) в сенсорном резисторе PSE. В качестве второго примера, этот эффект вызывается внезапным падением напряжения PSE (снижение напряжения). PSE имеют допустимый диапазон напряжения 57В - 50В на интерфейсе мощности. Из-за увеличения нагрузки (других портов) является обычным то, что напряжение PSE падает. Если напряжение PSE падает и PSE подсоединяется к PD с потреблением минимальной мощности, это может привести к обратному смещению входного выпрямителя. В этот момент PD работает от мощности, хранящейся в сглаживающем конденсаторе, до тех пор, пока этот конденсатор не разрядится ниже напряжения PSE, и входной выпрямитель снова начнет проводить ток. В этом случае PSE не будет наблюдать MPS и отключит PD.
На фиг. 6 приводится дополнительное Spice-моделирование, которое показывает потребляемый ток 61 MPS на PD, наблюдаемый ток 62 на PSE и напряжение 63 на сглаживающем конденсаторе. Это моделирование использует короткие MPS синхроимпульсы со временем включения 7мс, что приводит к искажению волновой формы и уменьшению амплитуды сигнала PSE.
На фиг. 7 приводится еще одно дополнительное Spice-моделирование, которое показывает потребляемый ток 71 MPS на PD, наблюдаемый ток 72 на PSE и напряжение 73 на сглаживающем конденсаторе. Это моделирование использует длинные MPS синхроимпульсы со временем 75мс. Здесь мы можем видеть, что волновая форма PSE имеет искаженные края, но достигает равновесия по постоянному току. Напряжение сглаживающего конденсатора является инвертированной зеркальной копией тока PSE.
На фиг. 8 приводится Spice-моделирование, которое показывает эффект от снижения напряжения PSE. Показывается напряжение 81 PSE, оно переходит от 57В к 50В и обратно к 57В. Также показывается напряжение 82 на сглаживающем конденсаторе. В то время как MPS потребляется, это падение напряжения является сравнимым по своей величине с током MPS. Показывается ток 83 MPS на стороне PD, а также ток 84, наблюдаемый PSE. В то время как импульсы фильтруются и уменьшаются по амплитуде в течение периода высокого напряжения PSE, эти импульсы полностью исчезают после падения напряжения до 50В и вновь появляются только после того, как сглаживающий конденсатор достаточно разрядился.
На фиг. 9 показывается устройство (например, PD) для приема мощности от источника питания (например, PSE). Оно содержит положительную шину 91 (после выпрямителя), отрицательную коммутируемую шину 92, сглаживающий конденсатор 93, прибор 94 измерения напряжения на сглаживающем конденсаторе, устройство 95 генерирования сигнала Keep-Alive (например, MPS), переключатель 96 с горячим переключением (например, MOSFET), входной выпрямитель 97 (обратите внимание, что для простоты рисуются только диоды проводящие ток), трансформаторы 98 PoE Ethernet и отрицательная некоммутируемая шина 99. В этом примере импеданс 95 для генерирования MPS может быть расположен перед 99 или после 92 FET (96) горячего переключения, и не требуется отключать горячее переключение во время потребления MPS.
PD отвечает за соответствие требованиям MPS на стороне PSE. Измерение напряжения PD может быть использовано для определения того, потребляется ли ток MPS со стороны кабеля (т.е. сторона источника питания, сторона PSE), а не от сглаживающего конденсатора (то есть сторона устройства, сторона PD) системы распределения мощности. Во время импульса MPS, PD будет измерять напряжение сглаживающего конденсатора. Пока это напряжение падает и не достигло стабильного значения, PD должен продолжать потребление тока MPS. Как только напряжение достигнет стабильного значения, PD должен продолжать потребление тока в течение, по меньшей мере, минимального требуемого времени (7мс при подключении к PSE Типа 3 или 4 и 75мс при подключении к PSE Типа 1 или Типа 2).
Можно создать микросхему интерфейса PD, которая имеет эту возможность встроенной и генерирует автоматически корректно таймированные импульсы MPS. Альтернативно, это может быть встроенным в приложение PD (например, микроконтроллер, который обрабатывает MPS), и иметь аналого-цифровой преобразователь для считывания напряжения сглаживающего конденсатора PD. Также возможно использовать дифференциатор, который принимает напряжение сглаживающего конденсатора в качестве входного сигнала. Так как условие устойчивого состояния является искомым, нулевое напряжение на дифференциаторе указывает на то, что равновесие по постоянному току достигнуто, а потребляемый ток поставляется от PSE.
В этом документе представляются способ, компьютерный программный продукт и устройство, которые позволяют устройству потребления мощности (например, PD) определять, потребляет ли оно ток из собственного (сглаживающего) конденсатора или из источника энергоснабжения (например, PSE). Это позволяет устройству потреблять правильное количество мощности, так что потребление минимальной мощности, может определяться со стороны источника питания системы распределения мощности. Это позволяет, например, генерировать правильный MPS, так что PD избегает отсоединения со стороны PSE.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а употребление слов в единственном числе не исключает множественность.
Один блок или устройство могут выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам по себе факт, что определенные меры перечисляются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.