ПИТАЕМОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ, СОДЕРЖАЩАЯ ПИТАЕМОЕ УСТРОЙСТВО
FED DEVICE AND POWER DISTRIBUTION SYSTEM COMPRISING POWERED DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к питаемому устройству для его использования в системе распределения мощности, при этом система содержит устройство подачи питания для подачи питания на питаемое устройство и электрический проводник, соединенный с устройством подачи питания и питаемым устройством для передачи мощности между устройством подачи питания и питаемым устройством. Настоящее изобретение также относится к системе распределения мощности, содержащей питаемое устройство, и к способу и компьютерной программе для подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку питаемого устройства.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В системе «Питание по сети Ethernet» (PoE) в соответствии со стандартом PoE IEEE 802.3af или IEEE 802.3at и/или похожими стандартами, устройство подачи питания (питающее устройство; PSE) обеспечивает питание для одного или нескольких питаемых устройств (PD) через один или несколько электрических проводников (кабели сети Ethernet). Устройство подачи питания представляет собой, например, коммутатор, а питаемые устройства представляют собой, например, камеры видеонаблюдения, беспроводные точки доступа, VoIP-телефоны и т.д. В соответствии со стандартом, потребление мощности питаемого устройства ограничивается уровнем мощности, который меньше, чем уровень мощности, который может быть обеспечен устройством подачи питания. Эта различие между максимальной мощностью, потребляемой питаемым устройством и максимальной мощностью, подаваемой устройством подачи питания, компенсирует возможные потери в кабелях сети Ethernet. Таким образом, могут быть использованы кабели различного качества и длины в пределах диапазонов, разрешенных стандартом, а совместимый PD может быть использован с любым совместимым кабелем для подключения к любому совместимому PSE.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение питаемого устройства для использования в системе распределения мощности, такой как система PoE, которое может иметь повышенное потребление мощности. Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение системы распределения мощности, содержащей питаемое устройство, а также способа и компьютерной программы для подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку питаемого устройства.
В первом аспекте настоящего изобретения представляется питаемое устройство для использования в системе распределения мощности. Система распределения мощности содержит устройство подачи питания для подачи к питаемому устройству через интерфейс выдачи питания при выходном напряжении и электрический проводник для передачи мощности между устройством подачи питания и питаемым устройством. Напряжение, при котором питание подается устройством подачи питания, неизвестно для питаемого устройства. Стандарт PoE, в качестве примера, предписывает напряжение в диапазоне напряжения (от 50 вольт до 57 вольт для PSE 2 типа). Стандарт PoE также определяет минимальную мощность, которую необходимо подать. Поскольку сопротивление электрического проводника (например, кабеля сети Ethernet) неизвестно, то напряжение на конце кабеля со стороны питаемого устройства будет отличаться от напряжения, подаваемого на конце кабеля со стороны устройства подачи питания. Сопротивление кабеля определяется, например, длиной кабеля (например, до 100 метров для кабеля сети Ethernet на основе спецификаций канала передачи данных), качеством кабеля (например, American Wire Gauge (AWG) 22 по сравнению с кабелем AWG 26) и сопротивлением используемого соединителя.
Питаемое устройство содержит интерфейс подвода питания для приема мощности, электрическую нагрузку и блок подачи питания электрической нагрузки. Блок подачи питания электрической нагрузки преобразует мощность, получаемую через интерфейс подвода питания, в питание электрической нагрузки и подает питание электрической нагрузки на электрическую нагрузку. Блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью определения контрольного значения мощности, основанного на характеристике мощности, подаваемой через интерфейс выдачи питания устройством подачи питания системы распределения мощности. Блок подачи питания электрической нагрузки дополнительно выполнен с возможностью управления уровнем мощности питания электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности. Контрольное значение мощности может быть напряжением питания, подаваемого устройством подачи питания через интерфейс выдачи питания. Питаемое устройство может затем управлять уровнем мощности питания электрической нагрузки для того, чтобы, например, обеспечить работу устройства подачи питания в эффективном диапазоне, предотвратить потребление слишком большой мощности от устройства подачи питания, предотвратить запуск механизма защиты от перегрузки в устройстве подачи питания, извлечь максимальное количество мощности, которое может быть подано устройством подачи питания, и т.д.
В варианте осуществления питаемого устройства питаемое устройство выполнено с возможностью предотвращения возникновения состояния перегрузки в устройстве подачи питания. Устройство подачи питания системы распределения мощности выполнено с возможностью контроля за мощностью, подаваемой через интерфейс выдачи питания, на случай возникновения состояния перегрузки. Такое состояние перегрузки может возникнуть, когда потребляется ток выше порогового значения. Пороговое значение может быть фиксированным (например, состояние перегрузки возникает всякий раз как потребляется более чем 600 мА) или может зависеть от напряжения, выдаваемого устройством подачи питания (то есть определяется предел мощности; когда, например, предел мощности составляет 30 Вт, а выданное напряжение - 56 В, тогда состояние перегрузки может возникнуть, когда потребляется более 535 мА, в то время как, если выданное напряжение было 50 В, тогда состояние перегрузки может возникнуть, если потребляется более 600 мА). Питаемое устройство будет избегать возникновения состояния перегрузки за счет управления уровнем мощности питания электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности.
В дополнительном варианте осуществления питаемого устройства питаемому устройству присвоен класс мощности, и оно дополнительно выполнено с возможностью указания присвоенного класса мощности устройству подачи питания системы распределения мощности. В качестве примера, устройство может быть устройством 3 класса PoE (средняя мощность, устройство тогда использует мощность в диапазоне от 6,49 до 12,95 Вт). Присвоенный класс мощности соответствует заданному первому пределу мощности и заданному второму пределу мощности, причем заданный первый предел мощности относится к максимальной мощности, которую питаемое устройство может потреблять, а заданный второй предел мощности относится к максимальной мощности, которую устройство подачи питания системы распределения мощности может обеспечивать. Продолжая пример, 3 класс стандарта PoE требует, чтобы устройством подачи питания обеспечивало минимум 15,4 ватт мощности. Стандарт дополнительно ограничивает, чтобы средний подвод мощности для питаемого устройства 3 класса составлял 13,0 Вт с пиковой мощностью 14,4 Вт. Состояние перегрузки в устройстве подачи питания происходит, когда мощность, подаваемая через интерфейс выдачи питания устройства подачи питания, соответствует заданному второму пределу мощности. Блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью регулирования уровня мощности питания электрической нагрузки таким образом, чтобы мощность, потребляемая питаемым устройством, была выше заданного первого предела мощности, а мощность, подаваемая устройством подачи питания, была равна или ниже заданного второго предела мощности. Это выгодно, поскольку это позволяет питаемому устройству потреблять больше мощности, чем та, что обеспечивает предел стандарта, такого как стандарт PoE, принимая во внимание потери (кабеля), все же оставаясь ниже предела, который может обеспечить устройство подачи питания. Блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью предотвращения возникновения состояния перегрузки в устройстве подачи питания за счет управления уровнем мощности питания электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности. Опять же, продолжая пример, когда устройство подачи питания электрической нагрузки оценило напряжение, выданное устройством подачи питания, и знает, руководствуясь классом, который присвоен питаемому устройству, какая максимальная мощность доступна, тогда может быть определен максимальный ток. Затем для этого максимального тока может быть установлено контрольное значение мощности, и блок подачи питания электрической нагрузки может управлять уровнем мощности питания электрической нагрузки таким образом, чтобы питаемое устройство не потребляло ток больше заданного максимального тока.
В еще одном варианте осуществления питаемого устройства блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью определения контрольного значения мощности на основе выходного напряжения питания, подаваемого через интерфейс выдачи питания устройством подачи питания системы распределения мощности.
В особенно преимущественном варианте осуществления питаемого устройства питаемое устройство дополнительно выполнено с возможностью работы в первом или втором режиме. В первом режиме блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью определения контрольного значения мощности на основе выходного напряжения питания, подаваемого через интерфейс выдачи питания устройством подачи питания системы распределения мощности. Во втором режиме блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью определения контрольного значения мощности на основе заданного предела тока. Это позволяет питаемому устройству работать с устройством подачи питания, следующим образцу нижней границы, а также с устройством подачи питания, следующим образцу верхней границы. Устройство подачи питания, следующее образцу нижней границы, выдает не более, чем максимальное количество мощности и, таким образом максимальный ток, который может быть потреблен питаемым устройством, зависит от напряжения питания, выданного устройством подачи питания. Устройство подачи питания, следующее образцу верхней границы, поддерживает заданный ток, каким бы ни было напряжение, которое выдается устройством подачи питания (в пределах диапазона напряжения, предоставляемого стандартом, таким как стандарт PoE).
В варианте осуществления питаемого устройства контрольное значение мощности определяется блоком подачи электропитания питаемого устройства, измеряющим напряжение на интерфейсе подвода питания, когда мощность, потребляемая питаемым устройством, уменьшается с течением времени и/или когда мощность, потребляемая питаемым устройством, по существу равна нулю. Разность между напряжением, выданным устройством подачи питания, и напряжением, получаемым питаемым устройством, обусловлена электрическим проводником (и, возможно, какими-либо компонентами, такими как диодный мост, если он присутствует в канале передачи от устройства подачи питания до питаемого устройства). Резистивное падение напряжения напрямую зависит от тока, текущего через электрический проводник. По мере того, как ток, потребляемый питаемым устройством, падает, напряжение, принятое на питаемом устройстве, увеличивается и достигает напряжения, выданного устройством подачи питания, тогда как ток достигает (по существу) нуля. Это позволяет легкое определение напряжения, при котором устройство подачи питания подает мощность на интерфейс выдачи питания.
В дополнительном варианте осуществления питаемого устройства блок подачи питания электрической нагрузки дополнительно выполнен с возможностью управления уровнем мощности электрической нагрузки для того, чтобы уменьшить мощность, потребляемую питаемым устройством, и/или по существу прекратить потребление мощности питаемым устройством. Это позволяет блоку подачи питания электрической нагрузки создавать ситуацию, в которой напряжение, получаемое на стороне питаемого устройства электрического проводника, достигает напряжения, выданного устройством подачи питания.
В другом варианте осуществления питаемого устройства блок подачи питания электрической нагрузки дополнительно выполнен с возможностью отключения электрической нагрузки от интерфейса подвода питания для того, чтобы по существу прекратить потребление мощности питаемым устройством. Это позволяет резистивному падению напряжения достичь нуля, а напряжению, которое должно быть измерено на стороне питаемого устройства, достичь напряжения, выданного устройством подачи питания. В дополнительном варианте осуществления питаемого устройства блок подачи электрической нагрузки или нагрузка содержит конденсатор, выполненный с возможностью накопления электрической энергии и подачи электрической энергии, когда блок подачи питания электрической нагрузки отключает электрическую нагрузку от интерфейса подвода питания. Блок подачи питания электрической нагрузки может затем отключать нагрузку от устройства подачи питания так, что принятое напряжение может быть измерено, в то время как нагрузка по-прежнему обеспечивается (полностью или частично) питанием, обеспечивающим, например, непрерывную работу в течение времени, когда нагрузка отключена.
В варианте осуществления питаемого устройства контрольное значение мощности определяется путем измерения сопротивления по меньшей мере электрического проводника и измерения тока, потребляемого питаемым устройством. Посредством определения сопротивления канала через мощность, подаваемую устройством подачи питания, может быть определено напряжение, выданное устройством подачи питания. В дополнительном варианте осуществления питаемого устройства сопротивление по меньшей мере электрического проводника определяется путем снятия первого измерения напряжения и тока через интерфейс подвода питания, когда первый ток потребляется питаемым устройством, и второго измерения напряжения и тока через интерфейс подвода питания, когда второй ток, отличный от первого тока, потребляется питаемым устройством. Сопротивление по меньшей мере электрического проводника затем определяется как разность между измеренными напряжениями, деленная на разность между измеренными токами. Если существуют другие резистивные элементы, которые должны быть приняты в расчет, такие как диодный мост в питаемом устройстве, то эти сопротивления узнаются и могут быть вычтены из определенного сопротивления. Напряжение, выданное устройством подачи питания, представляет собой показатель напряжения на стороне питаемого устройства, сложенный с падением напряжения на электрическом проводнике, последнее из которых теперь может быть рассчитано путем умножения определенного сопротивления на ток, потребляемый питаемым устройством.
В дополнительном варианте осуществления разность тока между первым током и вторым током может быть индуцирована генератором тестового тока. Небольшой тестовый импульс, например, 10 мА, может быть подан, когда получаемое напряжение измеряется прежде, чем генерируется тестовый импульс тока, а затем еще раз, когда генерируется тестовый импульс тока. Хотя ток, текущий для этой цели, может быть действительным импульсом, тестовый ток может также принимать иную форму (например, треугольную, трапецеидальную или синусоидальную). Это может быть полезным, поскольку сведено к минимуму влияние индуктивных составляющих в канале тока между интерфейсом выдачи питания устройства подачи питания и местоположения в электрической цепи питаемого устройства, где измеряется получаемое напряжение.
В другом варианте осуществления питаемого устройства питаемое устройство дополнительно выполнено с возможностью связи с устройством подачи питания системы распределения мощности. В системе PoE связь может быть выполнена через кабель сети Ethernet, соединяющий PSE и PD. Питаемое устройство может использовать любой из разнообразия протоколов, таких как Протокол обнаружения на канальном уровне для конечных медиа-устройств (LLDP-MED) или простой протокол управления сетью (SNMP). Контрольное значение мощности определяется питаемым устройством, получающим от устройства подачи питания значение, основанное на выходном напряжении питания, подаваемого через интерфейс выдачи питания устройством подачи питания. Связь может содержать запрос питаемого устройства к устройству подачи питания сообщить значение напряжения, выданного устройством подачи питания. Для устройства подачи питания, следующего образцу верхней границы, запрос может содержать требование питаемого устройства к устройству подачи питания сообщить значение максимального тока, которое устройство подачи питания будет поддерживать (например, максимальный ток, после которого обнаруживается ток перегрузки, и устройство подачи питания отключает питаемое устройство).
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представляется система распределения мощности, при этом система содержит питаемое устройство, устройство подачи питания для подачи питания к питаемому устройству через интерфейс выдачи питания при выходном напряжении и электрический проводник для передачи мощности между устройством подачи питания и питаемым устройством. В варианте осуществления системы распределения мощности система распределения мощности является системой Питания по сети Ethernet. Устройством подачи питания может быть тогда PSE, совместимое со стандартом PoE (например, 802.3at), а питаемым устройством может быть PD, совместимое со стандартом PoE. Используемый электрический проводник может быть кабелем сети Ethernet (например, кабель 5-ой категории).
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку питаемого устройства (по любому из п.п. 1-12) в системе распределения мощности (по п. 13 или 14). Способ содержит: определение блоком подачи питания электрической нагрузки питаемого устройства контрольного значения мощности, основанного на характеристике мощности, подаваемой через интерфейс выдачи питания устройством подачи питания системы распределения мощности; и обеспечение блоком подачи питания электрической нагрузки питаемого устройства уровня мощности для электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлена компьютерная программа для подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку питаемого устройства по любому из п.п. 1-12, когда питаемое устройство используется в системе распределения мощности по п. 13 или 14. Компьютерная программа содержит средства программного кода для побуждения питаемого устройства осуществлять этапы способа, как определено в п. 15, когда компьютерная программа исполняется на компьютере, управляющем питаемым устройством.
Питаемым устройством может быть любой электрический потребитель, но, в частности, питаемым устройством может быть светильник с датчиком и/или контроллером или без них. Такой светильник может содержать источники света на основе светоизлучающего диода (СИДа) или другие твердотельные (полупроводниковые) источники света. В системе PoE светильники могут быть снабжены как мощностью, так и возможностью связи через кабель сети Ethernet (хотя также возможно использовать кабель сети Ethernet только для предоставления мощности).
Следует понимать, что питаемое устройство по п. 1, система распределения мощности по п. 12, способ по п. 14 и компьютерная программа по п. 15, имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, которые определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения также может представлять собой любую комбинацию из зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом.
Эти и другие аспекты данного изобретения будут очевидны из и объяснены со ссылкой на описанные ниже варианты осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На следующих чертежах:
Фиг. 1 схематично и примерно показывает вариант осуществления системы распределения мощности,
Фиг. 2 схематично и примерно показывает вариант осуществления устройства подачи питания системы, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3 схематично и примерно показывает вариант осуществления питаемого устройства системы, показанной на фиг. 1.
Фиг. 4 схематично и примерно показывает вариант осуществления питаемого устройства, содержащего узел определения тока.
Фиг. 5 схематично и примерно показывает вариант осуществления питаемого устройства, содержащего узел определения напряжения.
Фиг. 6 схематично и примерно показывает зависимость между входным током, потребляемым питаемым устройством, и напряжением на питаемом устройстве.
Фиг. 7 показывает блок-схему, примерно иллюстрирующую вариант осуществления способа подачи питания электрической нагрузки к электрической нагрузке питаемого устройства в системе распределения мощности, и
Фиг. 8 схематично и примерно показывает график минимальных и максимальных токов, поддерживаемых устройством подачи питания, в соответствии со стандартом PoE.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 схематично и примерно показывает вариант осуществления системы 100 распределения мощности, содержащей устройство 1 подачи питания для подачи питания на питаемые устройства 2, 3 и 4. В этом варианте осуществления система 100 распределения мощности представляет собой систему PoE, а устройство 1 подачи питания представляет собой коммутатор. Устройство 1 подачи питания схематично и примерно более подробно показано на фиг. 2.
Устройство 1 подачи питания содержит несколько портов 12, к которым питаемые устройства 2, 3, и 4 подключаются через кабели 13 сети Ethernet, которые выполнены с возможностью передачи подаваемого питания вместе с данными. Устройство 1 подачи питания получает входную мощность через электрическое соединение 15, которое может быть непосредственно подключено к электророзетке (не показана на фигуре), а данные могут быть приняты из другого устройства (не показано на чертеже), например, другого коммутатора через другой кабель 14 сети Ethernet. Из принятой мощности блок 11 подачи питания генерирует мощность, которая должна быть подана на питаемые устройства 2, 3 и 5 через диспетчер 18 устройства питания. Данные могут быть обработаны с помощью сетевого процессора 19 данных до их отправки в соответствующее питаемое устройство 2, 3 или 4 через диспетчер 18 устройства питания.
Здесь питаемые устройства 2, 3, и 4 включают в себя светильники 2, переключающий элемент 3 и датчик 4 присутствия. Они могут быть расположены таким образом, что переключающий элемент 3 и/или датчик 4 присутствия отправляют команды на уменьшение силы света светильникам 2 через коммутатор 1 после того, как переключающий элемент 3 был приведен в действие человеком и/или присутствие человека было обнаружено датчиком 4 присутствия. Светильник 2 схематично и примерно показан более подробно на фиг. 3.
Светильник 2 содержит электрическую нагрузку 26, в этом варианте осуществления - светоизлучающий диод (СИД). Светильник 2 содержит блок 102 подачи питания электрической нагрузки для генерирования из мощности, подаваемой устройством 1 подачи питания, питания электрической нагрузки и для подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку 8. Согласно настоящему изобретению блок 102 подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью определения контрольного значения мощности, основанного на характеристике мощности, подаваемой через интерфейс подвода питания устройством подачи питания, и управления уровнем мощности питания электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности.
Это будет объяснено далее более подробно со ссылкой на IEEE 802.3at стандарт PoE.
IEEE 802.3at стандарт PoE является очень консервативным стандартом с большим числом средств обеспечения безопасности. Он сконструирован для работы практически в каждом возможном способе, в котором глобально используются кабели CAT3 (категория 3), CAT5 (категория 5), CAT6 (категория 6) и сети Ethernet. Это несет в себе большой опыт и обратную совместимость в стандарте, а также обеспечивает возможность поддержки вполне "эзотерических" сценариев использования. Они включают в себя, например, совместимость с кабелями CAT3 (которые практически не используются более чем в течении по меньшей мере 10 лет), обратную совместимость со старой схемой обнаружения отключения на основе переменного тока и совместимость с кроссоверными (пересекающимися проводниками/витыми парами) кабелями (которые практически не применяются в соединениях конечных узлов в течение по меньшей мере 5-ти лет).
Настоящее изобретение обращается к способу, в котором потребление мощности регулируется в стандарте PoE. Короче говоря, питаемое устройство как правило требует определенный уровень мощности. Входной ток, который потребляется питаемым устройством от устройства подачи питания и который передается через кабель сети Ethernet к питаемому устройству, вызовет падение напряжения и, вместе с ним, потерю мощности в кабеле. Сумма мощности, необходимой для питаемого устройства, и мощности потерь в кабеле сети Ethernet равна той мощности, которую устройство подачи питания должно вырабатывать для питаемого устройства.
Поскольку сеть Ethernet и, таким образом, PoE поддерживают очень длинные кабели, например, до 100 м, и поскольку существует широкий разброс качества и диаметра меди таких кабелей, стандарт PoE поддерживает ситуации, в которых большие количества мощности теряются в кабелях сети Ethernet. Эти потери не должны делать невозможным для питаемого устройства получать требуемую мощность или, что еще хуже, привести к небезопасным условиям работы.
PSD
PD
PSD
PD
Стандарт PoE обеспечивает возможность для диапазона напряжений, которые должны быть использованы устройством подачи питания в качестве напряжения портов. Они перечислены ниже в таблице 1 вместе с другими важными параметрами, касающимися уровней мощности, определенных IEEE 802.3at стандартом PoE. Из этой таблицы видно, что напряжение U порта, которое должно быть использовано устройством подачи питания, находится между 50 В и 57 В, и что питаемое устройство должно иметь возможность правильно функционировать с любым входным напряжением U между 42,5 В и 57 В. Разница в нижнем пределе (U=50 В против U=42,5 В), имеется, чтобы допустить падение напряжения в кабеле сети Ethernet.
PSD
Кабель
PD
U<sub>PSD</sub>(В)
I<sub>PSD</sub>(А)
P<sub>PSD</sub>(Вт)
P<sub>резерв</sub>(Вт)
U<sub>PD</sub>(В)
I<sub>PD</sub>(А)
P<sub>PD</sub>(Вт)
Макс.
57
0,6
34,2
8,7
57
0,447
25,5
Мин.
50
0,6
30
4,5
42,5
0,6
25,5
Таблица 1: IEEE 802.3at стандарт PoE - наиболее важные параметры, касающиеся уровней мощности.
резерв
Поскольку устройство подачи питания не имеет средств для распознавания, насколько велики будут потери в кабеле сети Ethernet, оно должно сохранять максимальный ток, соответствующий присвоенному классу мощности. Например, для класса 4 мощности, который является самым высоким классом мощности, определенным IEEE 802.3at стандартом PoE, это 0,6 A. Соответствующий запас мощности P может быть рассчитан согласно следующему уравнению:
резерв
PSD
PSD
PD
P=U ⋅ I - P,
PSD
PD
резерв
PSD
PSD
PD
PSE
PSD
где I - максимальный зарезервированный ток, соответствующий присвоенному классу мощности, а P=25,5 Вт - максимальный уровень мощности, допускаемый стандартом PoE, который может быть истребован питаемым устройством (для класса мощности 4). Необходимый резерв мощности P при этом составляет до 4,5 Вт (при U=50 В), соответственно, 8,7 Вт (при U=57 В) для каждого порта. Это фактически означает, что для того, чтобы быть в состоянии гарантировать подачу максимально допустимого уровня мощности P=25,5 Вт на питаемое устройство, причем устройство подачи питания должно быть в состоянии обеспечивать мощность порта P=34,2 Вт (в предположении, что 57 В выбрано в качестве напряжения порта U).
PSD
PSD
Авторы изобретения поняли, что на практике потери мощности, возникающие в кабелях сети Ethernet, довольно ограничены, даже при использовании длинных кабелей. Кроме того, очень маловероятно, что каждое питаемое устройство подключено с помощью наихудшей конфигурации кабеля. Кроме того, теперь обнаружено, что большинство устройств подачи мощности используют самое высокое напряжения U=57 В порта (или немного более низкое напряжение порта, например, U=56 В). Таким образом, во многих ситуациях было бы действительно возможным для питаемого устройства потреблять значительно больше мощности, чем 25,5 Вт, допускаемой стандартом PoE (для класса 4 мощности). Обеспечение возможности для такого увеличения потребления мощности питаемого устройства может быть полезным в ряде различных применений. Например, современные осветительные устройства на основе PoE находятся на пороге имеющейся достаточной мощности с использованием современных СИД и предела мощности 25,5 Вт. При использовании слегка более высокого уровня мощности, может быть доступно большее число осветительных устройств или достигнуто значительное снижение стоимости для СИДов.
На практике существует несколько основных правил, которые продиктованы IEEE 802.3at стандартом PoE:
PSD
1. Напряжение порта U, используемое устройством подачи питания, должно быть между 50 В и 57 В.
PSD
2. Устройство подачи питания должно сохранять максимальный ток I, соответствующий присвоенному классу мощности (например, 0,6 A для класса 4 мощности).
PD
3. Питаемое устройство должно принудительно осуществлять потребление мощности, соответствующее (или быть ниже) максимально допустимому уровню мощности, например, P=25,5 Вт (для класса 4 мощности).
PSD
Соблюдение первого правила гарантируется разработчиком устройства подачи питания, который будет выбирать соответствующий блок питания и который будет тестировать устройство подачи питания в различных сценариях использования, чтобы убедиться, что ни при каких условиях недопустимое напряжение порта U не подается.
PD
Кроме того, соблюдение второго правила гарантируется контроллерами портов устройства подачи питания, которые непрерывно измеряют входной ток, потребляемый питаемыми устройствами, и которые будут отключать порт, если входной ток, потребляемый питаемым устройством, подключенным к порту, превышает максимальный ток, соответствующий присвоенному классу мощности (защита от перегрузки по току). Например, как описано выше, для класса 4 мощности максимальный ток составляет 0,6 A с максимальным уровнем мощности P, разрешенным стандартом PoE, который должен быть востребован питаемым устройством, равным 25,5 Вт.
PSD
Настоящее изобретение основано на понимании авторов изобретения, что устройство подачи питания не может управлять соответствием устройства подачи питания третьему правилу и что, если питаемое устройство должно нарушить третье правило, оно может потреблять больше мощности, при условии, что оно поддерживает максимальный ток, соответствующий присвоенному классу мощности. Например, предполагая, что устройством подачи питания используется напряжение U=57 В порта и что падение напряжения, происходящее в кабеле сети Ethernet, является более или менее незначительным, что является в целом действительным в случае с современными кабелями обычной длины, причем максимальный уровень мощности, который может быть потреблен питаемым устройством, становится почти 34,2 Вт (см. снова таблицу 1).
PSD
В ходе данной работы дополнительно авторы изобретения поняли, что если бы питаемое устройство просто потребляло больше мощности, простота установки, связанная с современным оборудованием PoE, могла быть потеряна, поскольку необходимо было бы определить, какие устройства подачи питания поддерживаются питаемым устройством (которое зависело бы от напряжения порта U, используемого устройством подачи питания) и какие типы кабелей сети Ethernet и длины могут быть использованы (которые зависели бы от падения напряжения, происходящего в кабелях). В противоположность этому, настоящее изобретение основано на идее о том, что было бы выгодно, если бы питаемое устройство было способно автоматически потреблять максимальный уровень мощности, который может потребляться, не вынуждая сработать механизм защиты от перегрузки по току устройства подачи питания. Это должно предпочтительно работать автоматически и никогда не заставлять питаемое устройство не работать там, где могло бы работать другое устройство, которое соответствует IEEE 802.3at стандарту PoE. Следовательно, питаемое устройство могло бы оптимизировать свое потребление мощности таким способом, который был бы совместим с IEEE 802.3at стандартом PoE.
Возвращаясь теперь к фиг. 3, кабель 13 сети Ethernet подключается к разъему 20 светильника 2. Питание, передаваемое вместе с данными, подается на разветвитель 210 питания и данных через канал 250 передачи питания и данных. Разветвитель 210 питания и данных разделяет питание и данные, передаваемые по кабелю 13 сети Ethernet. Отделенные данные затем передаются далее по каналу 255 передачи данных, а отделенная мощность передается дальше по каналу 251 питания. Разветвитель 210 питания и данных содержит, например, магнитную цепь для разделения сигналов питания и данных.
Светильник 2 дополнительно содержит контроллер 211 питаемого устройства для идентификации светильника 2 в системе PoE и для назначения класса мощности коммутатором 1. Блок 102 подачи питания электрической нагрузки содержит возбудитель 212 электрической нагрузки для генерирования из мощности, поданной устройством 1 подачи питания, которая принимается возбудителем 212 электрической нагрузки через контроллер 211 питаемого устройства, питания электрической нагрузки и для подачи питания электрической нагрузки на СИД 26, и контроллер 213 питания электрической нагрузки для определения уровня мощности питания электрической нагрузки.
Блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью определения контрольного значения мощности на основе характеристики мощности, подаваемой через интерфейс выдачи питания (например, один из портов 12) устройства 1 подачи питания. Блок подачи питания электрической нагрузки будет затем управлять уровнем мощности питания электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности. Это контрольное значение мощности может быть пределом тока, где этот предел тока определяется путем оценки напряжения, выданного устройством подачи питания. Принимая во внимание, например, минимальную мощность устройства подачи питания, которую необходимо подвести, максимальный ток, который может быть потреблен, может быть определено оценочное выдаваемое напряжение. Это теперь будет описано более подробно, принимая во внимание некоторые примеры способов определения, хотя могут быть также применены и другие способы.
Блок подачи питания электрической нагрузки может, например, модулировать потребление мощности нагрузки и, следовательно, питаемого устройства для измерения принятого напряжения. Разность между напряжением, выданным устройством подачи питания, и напряжением, получаемым питаемым устройством, вызвано падением напряжения на по меньшей мере электрическом проводнике. Кроме того, могут оказывать влияние сопротивления импульсных трансформаторов и входные диоды в мостовых выпрямителях питаемого устройства. Резистивное падение напряжения напрямую зависит от тока, протекающего по кабелю. Питаемое устройство может минимизировать собственное потребление тока в течение короткого периода времени, в результате чего получаемое на питаемом устройстве напряжение увеличивается, достигая значения напряжения, выданного устройством подачи питания, поскольку из-за очень низкого тока, передаваемого по кабелю, резистивное напряжение кабеля становится очень низким.
Хотя нагрузка в какой-то момент времени может потреблять мало или совсем не потреблять тока, измерение также может быть выполнено после того, как протекание тока было специально снижено. Это может быть легко выполнено посредством короткого деактивирования переключателя с изоляцией, каковой, как правило, может быть найден в контроллере питаемого устройства. Необязательно, нагрузка будет обеспечиваться питанием в течение этого короткого периода времени от заряда в буферном конденсаторе. Наблюдение за повышением напряжения после выпрямителей позволяет определить, когда напряжение при (по существу) нулевом токе стабилизируется. Напряжение может затем быть измерено, и это является очень хорошей оценкой напряжения, выданного устройством подачи питания. Переключатель с изоляцией затем может быть активирован снова. Другой вариант заключается в том, чтобы выключать нагрузку питаемого устройства (например, путем отключения преобразователя напряжения или с помощью отдельного переключателя деактивации).
Хотя в питаемом устройстве напряжение может быть измерено на физическом интерфейсе питаемого устройства, также возможно и проще измерить его после горячей замены (замены без выключения) питаемого устройства. Питаемое устройство можно скорректировать для любого известного падения напряжения посредством полевого транзистора (FET) горячей замены и выпрямителя (например, диодов или активного выпрямителя).
Питаемое устройство может измерять получаемое напряжение в период низкого потребления мощности, чтобы оценить значение мощности, введенной устройством подачи питания. Оно может затем рассчитать максимальный ток, поддерживаемый устройством подачи питания, и может увеличить потребление мощности.
В другом варианте осуществления напряжение на стороне PSE не измеряется непосредственно. Для этого варианта осуществления определяется сумма сопротивлений между выходом питания устройства подачи питания и входом питания питаемого устройства. Это выполняется с помощью измерения напряжения на питаемом устройстве и синхронного измерения тока. Каждое небольшое изменение тока вызовет также (небольшое) изменение напряжения из-за линейно зависимого падения напряжения. Для обеих разностей может быть оценено сопротивление. В качестве примера, предположим, что V1 измеряется при токе I1 и V2 измеряется при I2, тогда сопротивление рассчитывается следующим образом: (V1-V2)/(I1-I2). Зная источники падения напряжения (например, определенную сумму сопротивлений и любые известные сопротивления в питаемом устройстве или диодный мост прямого напряжения) и суммарный ток, потребляемый питаемым устройством, напряжение, выданное устройством подачи питания, может быть рассчитано следующим образом: напряжение, полученное на устройстве подачи питания + (определенное сопротивление * ток, потребляемый питаемым устройством).
В другом варианте осуществления изменения тока, как и используемые выше, вносятся с помощью специализированного инжектора тестового тока. Это может быть, например, короткий импульс тока 10 мА, который увеличивает мощность, потребляемую от устройства подачи питания. При расчете сопротивления, объясненного выше, разность между I1 и I2 затем фиксируется на 10 мА. Напряжение, принятое на питаемом устройстве, измеряется как V1 до начала тестового импульса и измеряется снова, когда тестовый ток подается, чтобы определить V2. Поскольку наибольшая часть падения напряжения является резистивной, напряжение будет непосредственно (или с незначительной задержкой) следовать току и может быть измерено после короткой задержки, скажем 10 мс. После этого тестовый ток может быть снова снят. Этот вариант осуществления является полезным, поскольку не нужно проводить никакого точного измерения тока в PD. В других вариантах осуществления тестовый ток может и не быть истинным импульсом, но может быть треугольной, трапециевидной или синусоидальной формы. Это может уменьшить влияние индуктивных составляющих на измерение.
Устройство питания электрической нагрузки может направлять сигнал управления мощностью, который является показателем определенного уровня мощности, через сигнальный канал 254 управления к возбудителю 212 электрической нагрузки. Возбудитель 212 электрической нагрузки выполнен с возможностью генерирования из поданной мощности питания электрической нагрузки в соответствии с сигналом управления мощностью, принятым от контроллера 213 питания электрической нагрузки. Питание электрической нагрузки подается от возбудителя 212 электрической нагрузки к СИДу 26 через канал 253 питания электрической нагрузки. Возбудитель 212 электрической нагрузки выполнен с возможностью генерирования питания электрической нагрузки путем генерирования соответствующего возбуждающего тока электрической нагрузки для возбуждения СИДа 26. Блок 102 подачи питания электрической нагрузки, в частности, контроллер 213 питания электрической нагрузки или возбудитель 212 электрической нагрузки может быть выполнен с фильтром нижних частот сигнала управления.
Питаемое устройство, такое как светильник 2, может содержать узел 101 определения тока (не показан на фиг. 3) для определения тока, протекающего в светильнике 2. Согласно фиг. 4, узел 101 определения тока выполнен с возможностью определения тока с использованием измерителя тока на нижней стороне, который измеряет обратный ток из возбудителя 212 электрической нагрузки. Поскольку потребление мощности контроллера 213 питания электрической нагрузки само по себе общеизвестно, может быть рассчитано общее количество входного тока, потребляемого питаемым устройством 2 от устройства 1 подачи питания, и блок 102 подачи питания электрической нагрузки может, таким образом, генерировать питание электрической нагрузки с таким уровнем мощности, что потребляемый входной ток максимизируется в соответствии с контрольным значением мощности (например, максимального тока, который может быть потреблен). Питаемое устройство также может содержать узел определения напряжения, как показано на фиг. 5 (не показан на фиг. 3) для определения напряжения, присутствующего в светильнике 2.
В другом варианте осуществления также возможно непосредственно измерять ток, протекающий в электрической нагрузке 26, который, в свою очередь, позволяет рассчитать уровень мощности питания электрической нагрузки, которая, в свою очередь, позволяет оценить мощность, потребляемую от устройства 1 подачи питания, которая, в свою очередь, позволяет определять входной ток, текущий из устройства 1 подачи питания, когда напряжение, которое присутствует на блоке 102 подачи питания электрической нагрузки, известно, например, когда оно определяется, как описано выше.
S
PD
Фиг. 6 показывает, что, по мере того, как потребляемый питаемым устройством ток увеличивается, напряжение, которое принимается на питаемом устройстве, падает. Это (падение) определяется сопротивлением R источника, который относится, например, к электрическому проводнику, такому как используемый кабель сети Ethernet. Также показано, что, когда входной ток I достигает условия перегрузки по току, устройство подачи питания может уменьшить выдаваемое напряжение для защиты от перегрузки по току.
Возвращаясь к фиг. 3, в другом варианте осуществления светильник 2 содержит блок 230 связи (показанный на фиг. 3 в качестве примера в виде элемента контроллера 213 питания электрической нагрузки) для связи с устройством 1 подачи питания через электрический проводник 13, при этом блок 230 связи выполнен с возможностью запроса из устройства 1 подачи питания информации о выдаваемом напряжении или максимальном токе, который может быть потреблен. Эта связь может осуществляться с использованием таких протоколов, как CDP (Протокол обнаружения устройств Cisco), LLDP-MED (Протокол обнаружения на канальном уровне - для конечных медиа-устройств) или SNMP (Простой протокол управления сетью).
Далее, со ссылкой на блок-схему, показанную на фиг. 7, будет примерно описан вариант осуществления способа подачи питания электрической нагрузки к электрической нагрузке 26 питаемого устройства 2 в системе 100 распределения мощности.
В процессе подачи питания к питаемому устройству 2 с помощью устройства 1 подачи питания системы 100, на этапе 201 блок подачи питания электрической нагрузки определяет контрольное значение мощности на основе характеристики мощности, подаваемой через интерфейс выдачи питания устройства подачи питания; а на этапе 202 блок подачи питания электрической нагрузки обеспечивает уровень мощности питания электрической нагрузки на основе контрольного значения мощности.
На фиг. 8 иллюстрируются образец нижней границы и образец верхней границы, которым устройство подачи питания, в этом случае PSE, совместимого с PoE, может следовать. Вертикальная ось 800 представляет собой ток, потребляемый из PSE. Горизонтальная ось 900 представляет собой шкалу времени. Три оттенка серого показывают диапазон 1000 цепи короткого замыкания, диапазон 1100 перегрузки и диапазон 1200 нормального функционирования. Фигура показывает, что PSE должно подавать ток между максимальным током 1300 и минимальным током 1400, оба вплоть до по меньшей мере диапазона нормального функционирования в течение заданного периода, чтобы соответствовать стандарту. По истечении заданного периода 1500 PSE будет поддерживать максимальное количество потребляемой мощности. Если PSE следует образцу нижней границы, то максимальная подаваемая мощность является минимальной мощностью, какая требуется стандартом, и максимальный ток, поддерживаемый PSE, будет зависеть от напряжения, выданного PSE. Если PSE следует образцу верхней границы, то максимальная подаваемая мощность основана на заданном максимальном токе и максимальная подаваемая мощность зависит от напряжения, выданного PSE.
Хотя в вариантах осуществления, описанных выше со ссылкой на фиг. 3, контроллер 213 питания электрической нагрузки определяет уровень мощности питания электрической нагрузки, в других вариантах осуществления также другие компоненты питаемого устройства могут обеспечивать эту функцию. Например, это управление уровнем мощности может быть реализовано в контроллере 211 питаемого устройства, который уже может содержать подходящую аналоговую схему. Для обеспечения функции установки уровня мощности, соответствующий компонент питающего устройства может использовать микроконтроллер или иной вид контроллера.
PSD
Блок подачи питания электрической нагрузки питаемого устройства может быть использован, чтобы беспрепятственно расширить IEEE 802.3at стандарт PoE и/или IEEE 802.3af стандарт PoE, чтобы поднять максимальный уровень мощности питаемых устройств. Например, как описано выше, предполагая, что устройством подачи питания используется напряжение U=57 В порта и что падение напряжения, происходящее в кабеле сети Ethernet является более или менее пренебрежимым, максимальный уровень мощности, который может быть потреблен питаемым устройством за счет расширения IEEE 802.3at стандарта PoE составляет вплоть до 34,2 Вт (см. снова таблицу 1), когда потребляемый входной ток становится максимальным. Однако следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается одним или более из вышеуказанных стандартов PoE, но преимущественно может быть также использовано в других системах распределения мощности, которые имеют аналогичные характеристики.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления были описаны определенные питаемые устройства, такие как светильники, датчики присутствия, элементы переключения и так далее, в других вариантах осуществления питаемые устройства могут также включать в себя другие электрические приборы, такие как вентиляторы, пользовательские интерфейсы, такие как дисплеи или панели переключателей, и так далее.
Хотя в варианте осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг. 3, разъем 20 и разветвитель 210 мощности и данных являются отдельными компонентами, в другом варианте осуществления разветвитель 210 мощности и данных может быть интегрирован в разъем 20.
Хотя в варианте осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг. 3, электрическая нагрузка 26, представленная светильником 2, представляет собой светоизлучающий диод (СИД), в другом варианте осуществления электрическая нагрузка 26 может быть органическим светоизлучающим диодом (ОСИДом), лазером, галогенной лампой или тому подобным.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества.
Единый блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам по себе факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.
Определения, подобные определению уровня мощности питания электрической нагрузки, процедуры назначения и так далее, выполняемые одним или несколькими блоками или устройствами, могут быть выполнены любым другим числом блоков или устройств. Процедуры и/или управление питаемым устройством в соответствии со способом подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку питаемого устройства в системе распределения мощности могут быть реализованы в виде средств программного кода компьютерной программы и/или в виде специализированного аппаратного обеспечения.
Компьютерная программа может быть сохранена/распространена на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, который поставляется вместе с другим аппаратным обеспечением или как их часть, но также может быть распространена в других формах, таких как через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем.
Изобретение относится к питаемому устройству, подобному светильнику, для использования в системе распределения мощности, которая является преимущественно системой PoE и которая содержит устройство подачи питания для подачи питания к питаемому устройству. Питаемое устройство содержит электрическую нагрузку, подобную СИДу, и блок подачи питания электрической нагрузки для генерирования из поданной мощности питания электрической нагрузки и для подачи питания электрической нагрузки на электрическую нагрузку, причем блок подачи питания электрической нагрузки выполнен с возможностью генерирования питания электрической нагрузки с таким уровнем мощности, что входной ток, потребляемый питаемым устройством из устройства подачи питания, максимизируется ниже заданного верхнего порогового значения входного тока. Это позволяет увеличивать потребление мощности питаемого устройства по сравнению с потреблением мощности питаемых устройств в соответствии с IEEE 802.3at стандартом PoE.