相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考

本申請(qǐng)案主張由安德魯j.加德納(andrewj.gardner)及杰弗里l.希斯(jeffreyl.heath)于2014年11月19日申請(qǐng)的序列號(hào)為62/081,724的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)。

本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)線供電(podl)系統(tǒng)，其中來(lái)自供電設(shè)備(pse)的電力通過(guò)也用于傳導(dǎo)差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)(通常是以太網(wǎng)信號(hào))的單線對(duì)傳輸?shù)奖还╇娧b置(pd)。本發(fā)明尤其涉及檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障。

背景技術(shù)：

已知通過(guò)數(shù)據(jù)線將電力傳輸?shù)竭h(yuǎn)程電力設(shè)備。以太網(wǎng)供電(poe)是一個(gè)此類(lèi)系統(tǒng)的實(shí)例。在poe中，將有限的電力從以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)連接的設(shè)備(例如，voip電話，wlan發(fā)射器、安全攝像機(jī)等)。來(lái)自交換機(jī)的dc電力通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)cat-n纜線中的兩個(gè)或兩個(gè)以上雙絞線對(duì)傳輸。所述線對(duì)中的一或多者也傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，這是因?yàn)閐c共模電壓不影響數(shù)據(jù)。以此方式，可消除為被供電裝置(pd)提供任何外部電源的需要。

一種較新的技術(shù)是通過(guò)單個(gè)雙絞線對(duì)傳輸電力以及差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線供電(podl)。截至本發(fā)明，ieee正在為podl開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，如ieee802.3bu。podl可能比poe更靈活(因?yàn)槠渲恍枰粋€(gè)線對(duì))，且很可能成為一種流行的技術(shù)，尤其是在汽車(chē)中。

可設(shè)想，podl應(yīng)用將需要pd接地與pse接地之間的某種方式的隔離，以便防止形成接地回路或最小化接地回路的影響。接地是pse及pd的相應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)，并不一定是絕對(duì)接地或彼此相等。雖然pse接地到pd接地隔離的失效可能不會(huì)導(dǎo)致podl鏈路的徹底功能失效，但所得電流流動(dòng)(泄漏電流)可能使以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性大幅降級(jí)。因此，檢測(cè)pd接地與pse接地之間隔離中的失效的能力是重要的，以便確保podl以太網(wǎng)鏈路中的數(shù)據(jù)完整性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述用于在將podl電壓施加到pd之前及在將podl電壓施加到pd之后檢測(cè)pse與pd之間的接地故障泄漏電流的電路及技術(shù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，在將podl電壓施加到pd之前，故障測(cè)試開(kāi)關(guān)暫時(shí)閉合，以感測(cè)跨pse電壓源的正端子與pse和pd之間的任何接地泄漏路徑之間的電流回路的一部分的電壓降。如果接地泄漏電路徑的電阻低于特定閾值，那么產(chǎn)生故障信號(hào)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，可通過(guò)暫時(shí)供應(yīng)已知的測(cè)試電流通過(guò)電流回路并感測(cè)電壓降來(lái)確定接地泄漏路徑的電阻是否低于某一閾值而在沒(méi)有測(cè)試開(kāi)關(guān)的情況下進(jìn)行類(lèi)似測(cè)試。

在另一個(gè)實(shí)施例中，pse電壓源的正端子暫時(shí)連接到電流回路，并且感測(cè)所得電流。

描述其它電路。

為了檢測(cè)在將完整的podl電壓施加到pd之后的pse及pd之間的接地隔離故障，感測(cè)源pse電流及返回pse電流、計(jì)算它們之間的差值并將其與窗口進(jìn)行比較，以便在鏈路被供電時(shí)檢測(cè)接地隔離故障。

附圖說(shuō)明

圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的podl系統(tǒng)，其包含用于在將podl電壓施加到pd之前檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路。

圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的podl系統(tǒng)，其包含用于在將podl電壓施加到pd之前檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路。

圖3說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的podl系統(tǒng)，其包含用于在將podl電壓施加到pd之前檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路。

圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的podl系統(tǒng)，其包含用于在將podl電壓施加到pd之前檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路。

圖5說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的podl系統(tǒng)，其包含用于在將podl電壓施加到pd之前檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路。

圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的podl系統(tǒng)，其包括用于在已將podl電壓施加到pd之后檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路。

用相同數(shù)字標(biāo)注各種圖式中的相同或等效的元件。

具體實(shí)施方式

描述包含用于檢測(cè)pse與pd之間的接地隔離故障的電路的各種podl系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，此接地故障在pd的負(fù)參考電壓端子與pse的接地端子之間產(chǎn)生非預(yù)期的電流路徑(回路)。此泄漏的量由所揭示的電路檢測(cè)，如果泄漏高于特定閾值，那么宣告接地故障。然后，可使用此故障信號(hào)來(lái)停用podl系統(tǒng)，這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)可能被破壞。

將首先參照?qǐng)D1來(lái)描述podl的常規(guī)方面。

圖1說(shuō)明經(jīng)由雙絞線對(duì)18中的第一線14及第二線16連接的pse10及pd12的相關(guān)部分。

耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)包括電容器c1到c4及電感器l1到l4。相對(duì)高頻的以太網(wǎng)差分?jǐn)?shù)據(jù)由電容器c1到c4通過(guò)，而電感器l1到l4阻斷數(shù)據(jù)信號(hào)。以太網(wǎng)收發(fā)器被稱(chēng)為phy，其為數(shù)據(jù)路徑中的物理層。數(shù)據(jù)由圖中未展示的常規(guī)設(shè)備處理。

為pd12供電的podldc電壓由產(chǎn)生電壓vpse的pse電壓源20產(chǎn)生。一旦電力開(kāi)關(guān)21及22閉合，dc電壓由電感器l1及l(fā)2耦合到線對(duì)18，并且dc電壓經(jīng)由去耦電感器l3及l(fā)4耦合到由電阻器rpd表示的pd負(fù)載。電容器c1到c4阻斷dc電壓。電容器cpd使dc電壓變平滑。

通常，在podl系統(tǒng)中，執(zhí)行低電力檢測(cè)及分類(lèi)例程來(lái)檢測(cè)pd是否與podl兼容，并傳達(dá)pd的電力要求。此低電力例程將被稱(chēng)為握手(handshaking)，并在用于podl的ieee標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行描述。這種例程可由狀態(tài)機(jī)、處理器或其它已知電路來(lái)實(shí)行，并由檢測(cè)/分類(lèi)電路23表示。

在成功的握手之前，pse電壓源20與雙絞線對(duì)18之間的電力開(kāi)關(guān)21及22是斷開(kāi)的。在成功的握手之后，電力開(kāi)關(guān)21及22閉合以向pd12供應(yīng)完整的podl電壓vpse。

可能的是，pd12的負(fù)端子可被短接到pse10的接地，或具有到pse10的接地的某個(gè)其它泄漏電平。在pd12的負(fù)端子與pse10的接地之間的電流泄漏可能使以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性大幅降級(jí)。因此，如果電流泄漏接近以太網(wǎng)數(shù)據(jù)變得不可靠的電平，那么識(shí)別接地隔離故障是重要的。

在以太網(wǎng)podl中檢測(cè)pse與pd之間的接地故障電流泄漏回路存在三種可能的情況：1)在將podl電力施加到pd之前進(jìn)行檢測(cè)；2)在存在施加到pd的podl電力的情況下進(jìn)行檢測(cè)；或3)兩者。

圖1-5說(shuō)明在將podl電壓施加到pd12之前檢測(cè)接地隔離故障的替代電路及方案。

在圖1中，在啟動(dòng)之后但在電力開(kāi)關(guān)21及22閉合之前，故障測(cè)試開(kāi)關(guān)24暫時(shí)閉合，以耦合pse電壓源20的正端子與電感器l2之間的上拉測(cè)試電阻器rtest?？鐪y(cè)試電阻器rtest的電壓由差分放大器26感測(cè)，差分放大器26輸出電壓感測(cè)信號(hào)vsense。接著，由遲滯比較器28將vsense與固定電壓閾值vth進(jìn)行比較。如果vsense大于vth，那么考慮到遲滯，產(chǎn)生接地隔離故障信號(hào)。然后，可使用此故障信號(hào)來(lái)用信號(hào)通知系統(tǒng)需要維修以解決接地隔離故障。故障信號(hào)也可停用系統(tǒng)以防止電力開(kāi)關(guān)21及22閉合。

接地隔離泄漏電阻由電阻rleak表示。rleak電阻越低，pd12接地與pse10接地之間的電流泄漏就越多。當(dāng)故障測(cè)試開(kāi)關(guān)24閉合時(shí)，由電阻器rtest、電感器l2、線16、電感器l4及rleak產(chǎn)生電流回路到pse10接地。電阻rtest及rleak在泄漏電流回路中形成分壓器。

vsense由vsense＝vpse×rtest/(rtest+rleak)給出，假設(shè)電感器l2、l4及線16具有可忽略的電阻。隨著rleak的值減小，vsense的值將在全面接地短接的情況下增加到vpse的最大值。通過(guò)比較vsense與設(shè)定在vpse與0v之間的閾值電壓vth，當(dāng)pse接地及負(fù)電壓pd端子之間的泄漏電阻rleak已降低到臨界值以下時(shí)，檢測(cè)到全面接地短接。臨界值可通過(guò)使以太網(wǎng)數(shù)據(jù)充分降級(jí)所需的泄漏電阻來(lái)確定。然后，斷言故障信號(hào)。故障信號(hào)可停用電力開(kāi)關(guān)14及16使其不接通。

如果來(lái)自電感器l2及l(fā)4及線16的電阻很大，那么在選擇可接受的vsense電平時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。

圖2到5中說(shuō)明用于測(cè)試及測(cè)量pd與具有斷開(kāi)的pse源及返回電力開(kāi)關(guān)21及22的pse之間的泄漏路徑電阻或電流的額外實(shí)施例。

在圖2中，連接在電壓源20的正端子與電感器l2之間的故障測(cè)試電流源32暫時(shí)接通，以供應(yīng)固定電流通過(guò)由電感器l2、線16、電感器l4及rleak形成的電流回路到pse接地?？珉娮鑢leak、電感器l2及l(fā)4以及線16的串聯(lián)組合的電壓降由差分放大器34檢測(cè)，以產(chǎn)生與rleak的值具有已知關(guān)系的電壓感測(cè)信號(hào)vsense。然后，將vsense施加到遲滯比較器以與閾值電壓進(jìn)行比較(以圖1中所展示的方式)，以在rleak的值低于閾值的情況下產(chǎn)生故障信號(hào)。

圖3說(shuō)明在故障測(cè)試開(kāi)關(guān)36在電力開(kāi)關(guān)21及22被接通之前暫時(shí)閉合時(shí)，經(jīng)由電感器l2及l(fā)4、線16及電阻rleak直接感測(cè)電壓源20的正端子與pse接地之間的泄漏電流的實(shí)施例。電流isense可通過(guò)與電流路徑串聯(lián)的低值感測(cè)電阻器來(lái)感測(cè)，其中跨感測(cè)電阻器的電壓降與電流相關(guān)。此常規(guī)電流感測(cè)電路由輸出值isense的電流檢測(cè)電路38表示。然后，以與圖1中所展示的相同方式將對(duì)應(yīng)于isense的電壓與閾值電壓進(jìn)行比較，并且在泄漏電流高于將使以太網(wǎng)數(shù)據(jù)充分降級(jí)的閾值的情況下，由比較器斷言故障信號(hào)。

圖4說(shuō)明當(dāng)故障測(cè)試開(kāi)關(guān)40在電力開(kāi)關(guān)21及22斷開(kāi)的情況下暫時(shí)閉合時(shí)，pse電壓源20的正端子經(jīng)由感測(cè)電阻器rsense耦合到電感器l1及線14的實(shí)施例。因此，正端子與pse接地之間的電流回路通過(guò)感測(cè)電阻器rsense、電感器l1、線14、電感器l3、pd負(fù)載rpd及接地故障電阻rleak。由差分放大器42檢測(cè)跨感測(cè)電阻器rsense的電壓降，以產(chǎn)生vsense，并以圖1中所展示的方式將vsense與閾值電壓進(jìn)行比較，以確定是否將斷言故障信號(hào)。

圖5說(shuō)明其中耦合到電壓源20的正端子的電流源46暫時(shí)接通以供應(yīng)固定電流itest通過(guò)第一電流回路(其包括電感器l1、線14、電感器l3、pd負(fù)載rpd及接地故障電阻rleak)且同時(shí)通過(guò)第二電流回路(其包含電感器l4、線16及電感器l2)的實(shí)施例。

如果接地隔離泄漏電阻_rleak高(例如開(kāi)路)，那么所有電流將流過(guò)包含電感器l4、線16及電感器l2的第二回路。因此，差分放大器48的輸入端的電壓差將主要由跨pd負(fù)載rpd的電壓降確定，并且將為預(yù)期值。然后，以圖1中所展示的方式將vsense的值與閾值進(jìn)行比較，并且將不斷言故障信號(hào)。然而，如果存在通過(guò)電阻rleak的大量泄漏電流，那么第一電流回路將汲取泄漏電流，并且差分放大器48的輸入端處電壓差將導(dǎo)致vsense大于閾值，以導(dǎo)致故障信號(hào)被斷言。

在成功的故障測(cè)試及握手例程之后，電力開(kāi)關(guān)21及22閉合以將完整的vpse供應(yīng)給pd負(fù)載rpd。

在pse電力開(kāi)關(guān)21及22閉合并且鏈路已被供電的情況下，需要用于感測(cè)與podl線對(duì)18分流的泄漏路徑的不同方法。

圖6說(shuō)明podl電路，其中同時(shí)感測(cè)源pse電流及返回pse電流、計(jì)算它們的差值并將其與可接受的差異進(jìn)行比較，以便在鏈路被供電時(shí)檢測(cè)接地隔離故障。電力開(kāi)關(guān)由于閉合而未展示。pd負(fù)載rpd由電壓源20供電。故障檢測(cè)電路始終操作。

等值的低值感測(cè)電阻器rsns1及rsns2與源電流及返回電流路徑串聯(lián)。在正常操作期間，如果不存在接地隔離泄漏，那么通過(guò)兩個(gè)感測(cè)電阻器的pd負(fù)載電流大致相等。由差分放大器50及52放大跨感測(cè)電阻器的電壓降。如果源電流及返回電流相等，那么差分放大器50及52的輸出將相等。差分放大器50及52的輸出由減法器54減去以產(chǎn)生表示源電流與返回電流之間的差值的信號(hào)。經(jīng)由遲滯比較器56及58將減法器54的輸出與代表差值的可接受范圍的高參考電壓refhi及低參考電壓reflo進(jìn)行比較。如果差值在可接受范圍內(nèi)，那么比較器56/58將輸出邏輯0，并且將不會(huì)發(fā)生故障。比較器56/58可被稱(chēng)為窗口比較器。

如果存在顯著接地隔離泄漏電流，那么通過(guò)感測(cè)電阻器rsns2的返回電流將小于通過(guò)感測(cè)電阻器rsns1的源電流，因此差分放大器52的輸出將低于差分放大器50的輸出。因此，減法器54的輸出可高于refhi，從而致使比較器56輸出邏輯1?；蜷T(mén)60然后斷言故障信號(hào)。如果減法器54的輸出歸因于與線對(duì)的正導(dǎo)體分流的泄漏路徑而低于電平reflo，那么故障信號(hào)也被斷言。

可通過(guò)使差分放大器50及52中的一者的反相及非反相輸入反轉(zhuǎn)并使用加法器而不是減法器來(lái)檢測(cè)源電流與返回電流之間的差異來(lái)使用類(lèi)似的檢測(cè)電路。

可使用與上述實(shí)施例相關(guān)的各種其它電路及方案。

雖然已展示及描述本發(fā)明的特定實(shí)施例，但對(duì)于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可在不脫離本發(fā)明的更廣泛方面的情況下進(jìn)行改變及修改，且因此所附權(quán)利要求書(shū)將在其范圍內(nèi)涵蓋所有此類(lèi)改變及修改。