CN109565445A - 使用混合共模流通圈和电压的kelvin传感的通信系统 - Google Patents

Abstract

在通过一对导线(12)传导差分数据的通信系统中，AC共模噪声在嘈杂的环境中不合需要地耦合到导线(12)。混合共模扼流圈HCMC(16)在将差分数据传递到PHY(150)的同时衰减AC共模噪声。HCMC(16)包括CMC(20)(具有相同极性的绕组)和差分模式流动环(24)(具有相反极性的绕组)。CMC(20)衰减AC共模噪声，并且DMC(24)将衰减的AC共模噪声传递到终止电路(26)以消除它。还公开了一种通过检测不承载DC电流的导线(12)上的电压，在PoDL系统中Kelvin感测该对导线(12)处的DC电压的技术，以便提供更精确的测量。

Description

使用混合共模流通圈和电压的KELVIN传感的通信系统

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求由Andrew J.Gardner于2016年7月25日提交的美国临时申请序列号62/366,308的优先权，并且还基于并要求Andrew J.Gardner于2017年2月13日提交的美国临时申请序列号62/458,522的优先权，两个申请通过引用并入本文。

技术领域

一个发明涉及在扭曲的导线对上使用差分数据的通信系统，尤其涉及用于改善共模和差模损耗特性的技术。另一个发明涉及电源数据线(PoDL)系统，其中来自供电设备(PSE)的功率通过单个导线对传输到受电设备(PD)，该导线对也用于传导差分数据信号，通常是以太网信号，并能够更准确地测量系统中的电压。

背景技术

众所周知，通过数据线传输电力给远程设备供电。以这种方式，可以消除为受电设备(PD)提供任何外部电源的需要。该技术的一种形式是功率数据线(PoDL)，其中功率通过单个扭曲导线对与差分数据一起传输。PoDL很可能成为一种流行的技术，特别是在汽车中。

图1示出了从US2016/0308683复制的PoDL系统的已知配置。介质相关接口(MDI)连接器160耦合到承载差分数据和DC电压的扭曲导线对(未示出)。PoDL系统两端的耦合可以是相同的。

PHY 150输出差分数据并经由MDI连接器160、共模流圈(CMC)210和AC耦合电容器C1和C2接收差分数据。PHY 150表示OSI模型中的物理层，并且是收发器，其通常包括用于将比特呈现给下一级的信号调节和解码电路。术语PHY是术语，并且由各种IEEE标准定义，这取决于特定应用。PHY通常是集成电路。数字处理器(未示出)耦合到PHY 150以处理数据。

如果图1的电路在PSE侧，则来自电源140的DC电压通过单独的电感器142耦合到导线。电感器142阻止AC并使DC通过。

来自MDI连接器160的导线由电阻器R1和R2以及电容器C3和C4终止，以使反射最小化。

图2示出了另一种现有技术电路，其中差分数据通过扭曲的导线对12传输，并且共模噪声被CMC1和CMC2滤除。由于没有传导直流电压，因此可能不需要交流耦合电容器。

CMC是一种串联变压器，带有两个与绞合导线对串联的绕组。如CMC绕组上的点所示，绕组具有相同的极性，因此差分模式信号产生的磁场基本上被抵消。因此，CMC对差模电流几乎没有电感或阻抗。

然而，共模电流由于绕组的组合电感而看到高阻抗。

在这两种配置中，CMC理想地消除或大大衰减共模RF噪声，同时不会对差分或DC电压信号造成损耗。但是，CMC具有妨碍其理想性能的限制。这些约束包括绕组间电容、绕组的直流电阻(DCR)和磁芯损耗。CMC还必须向差分数据提供低插入损耗和高回波损耗。

某些应用需要在嘈杂的环境中实现非常低的误码率，例如在工厂中。单独的常规CMC不能在不增加差分数据插入损耗的情况下实现这一点。用户可以用屏蔽电缆替换非屏蔽扭曲导线对(通常是以太网CAT-5电缆)，但这会增加大量费用。

所需要的是用于差分数据通信的终止技术，其提供用于滤除共模噪声的更鲁棒的技术。

另外，在一些PoDL应用中，用户需要知道系统中某些节点的实际电压。在某些应用中，指定了MDI连接器的电压。然而，由于绕组的直流电阻(DCR)，不能在CMC的下游测量该电压，其中DC电流的变化改变了通过绕组的损耗。不希望向MDI添加更多连接(可能携带高PoDL电流)，因为这可能导致额外的寄生电容负载。最好在PD或PSE上检测MDI电压，而不直接在MDI上进行任何连接。所需要的是精确检测PSE或PD处的MDI电压的技术。

发明概述

这里公开了两个发明。一个发明是用于差分数据绞合导线对的终端技术，其增加了双绞线上的AC共模RF噪声的抑制。另一个发明是一种用于精确测量在PoDL系统中在扭曲的导线对上传输的DC电压的技术。

公开了具有三个端口的混合共模扼流圈(HCMC)，其中每个端口由两个端子组成。第一端口耦合到PHY。第二端口是共模扼流圈(CMC)的第一端，其中绕组具有相同的极性(相同端的点)。第三端口是具有相反极性的绕组(相对端上的点)的差分模式扼流圈(DMC)的第一端。CMC和DMC的第二端耦合到第一端口。第三端口耦合到AC共模噪声的合适终端。HCMC可以是单个模块。

CMC具有较大的共模阻抗和两个端口之间的低差模阻抗。在第一和第二端口之间的AC共模信号的传输基本上受到CMC的阻碍，而差分模式信号的传输基本上不受CMC的阻碍。相反，通过DMC向第三端口传输AC共模信号基本上不受DMC的阻碍，而AC差分模式信号的传输基本上受到DMC的阻碍。因此，DMC仅将不需要的AC共模噪声信号传递给已经通过CMC的第三个端口。

因此，CMC基本上阻止AC共模噪声并且DMC移除任何剩余的AC共模噪声(将AC共模噪声转移到第三端口)。

由于DMC改善了AC共模抑制，因此CMC绕组可以具有较低的电感值，从而降低CMC绕组的DCR，并通过增加CMC的差模返回损耗来提高系统的整体效率。或者，CMC电感可以保持不变，并且可以通过DMC的分流动作增加整体AC共模抑制。

这允许在嘈杂的环境中使用传统的扭曲导线对(例如，CAT-5电缆)而不是更昂贵的屏蔽电缆。

第三个端口可以连接到AC共模的合适终端。

RF噪声是为了减少反射，例如接地(如果没有DC由绞合导线对传导)或连接到地的电容器，或者第三端口端子可以连接在一起并连接到单个电容器接地。

混合CMC基本上改进了现有技术的共模插入损耗(即，降低了共模噪声)，同时实现了高差模返回损耗和低差模插入损耗。

还公开了一种用于在PoDL系统中精确测量扭曲导线对处的DC电压的技术。在传统系统中，来自PSE的电压在PSE的输出处被检测到，但是高DC电流产生电压降，例如跨越CMC，其中绕组具有直流电阻(DCR)。因此，测得的电压高于在绞合导线对端部实际施加的电压。

在PoDL应用中，HCMC的第二端口耦合到传统的媒体相关接口(MDI)连接器，其连接到扭曲的导线对。为了精确测量施加在绞合导线对上的电压，有时在MDI连接器上连接附加导线并直接在MDI连接器上测量电压是不切实际的。解决方案是在MDI连接器的输入端提供交流耦合终端电阻，并测量电阻器及其相关电容器之间的电压。接地的交流耦合终端电阻减少了信号反射，并且由于交流耦合到地，基本上没有传导直流电流。因此，电阻器上没有电压降。因此，电压感测使用高度精确的开尔文感测，因为不对承载DC电流的导体执行感测。开尔文检测是指在非常低的载流导线而不是高电流导线上进行的电压检测。电压感测可以由PSE或PD中的传统电压传感器执行。

附图简述

图1示出了传统PoDL系统的一端，其能够通过单对导线进行以太网通信和功率传输。除了PSE或PD之外，另一端是相同的。

图2示出了PHY和扭曲的导线对之间的CMC，其携带差分数据信号，用于滤除共模噪声。

图3示出了用于通过将DMC端子(第三端口)耦合到地来终止导线的混合CMC，以改善AC共模插入损耗。

图4示出了通过经由AC耦合电容器将DMC端子(第三端口)耦合到地来用于端接导线的混合CMC。

图5示出了用于通过将DMC端子(第三端口)耦合在一起然后经由AC耦合电容器耦合到地来终止导线的混合CMC。

图6示出了PoDL系统中的混合CMC，其中导线由MDI连接器和CMC之间的电阻器和AC耦合电容器端接。

图7示出了应用于图7的电路的技术，用于精确测量MDI连接器处的DC电压。

图8示出了用于精确测量作为MDI连接器的DC电压的另一种技术。

各图中相同或等同的元件用相同的数字标记。

发明详述

图3示出了混合共模扼流圈(HCMC)16的使用。HCMC 16具有三个端口，其中每个端口由两个端子组成。第一端口18是CMC 20的第一端，第二端口22是CMC 20的另一端。如果HCMC 16结合在PoDL系统中，则AC耦合电容器可以耦合在第一端口18和PHY 150(收发器)之间。用于承载差分数据的扭曲导线对12可以耦合到第二端口22。MDI连接器可以用于在第二端口22和扭曲导线对12之间连接。CMC 20的两个绕组具有相同的极性(点位于第二端口处)，因此CMC 20阻止(大大衰减)共模噪声信号。CMC 20的第一端还耦合到差分模式扼流圈(DMC)24，其是具有相反极性的绕组的变压器(相对端的点)。DMC 24的另一端是第三端口26。第三端口26可以耦合到合适的AC端子以最小化反射。

由于绕组的极性相反，DMC 24阻止由PHY 150和导线对12产生的AC差分信号。

HCMC 16基本上减小了导线对12上的共模噪声，同时实现了高差模返回损耗(阻尼反射)和低差模插入损耗。

CMC 20由于其绕组具有相同的极性而具有大的共模阻抗，因此导线对12上的共模噪声被阻挡。CMC 20在其两个端口之间具有低差模阻抗，因为其绕组具有相同的极性，因此差分数据自由通过。CMC 20还可以自由地从PoDL系统中的PSE电压源传递任何DC电压。如果使用PoDL系统，则可以使用图1中的电感器142将DC电压连接到扭曲的导线对12，或者可以将DC电压连接到第三端口26，其中电源吸收通过DMC 24的AC共模噪声。

相反，通过DMC 24的动作，CMC 20和第三端口26之间的AC共模信号的传输基本上不受DMC 24的阻碍，而AC差分模式信号的传输基本上受到DMC 24的阻碍。以这种方式，连接到第三端口26的电路可以用于基本上消除已经通过CMC 20的任何AC共模信号。连接到第三端口26的这种电路可以包括地，如图3所示，假设系统不是PoDL系统。

耦合到第三端口28以终止导线并消除AC共模信号的其他电路示于图4和5中。图4示出了第三端口26通过AC耦合电容器30和32连接到地，以终止导线并消除AC共模信号。图5示出了第三端口26的两个端子通过AC耦合电容器34连接在一起然后接地，以终止导线并消除AC共模信号。

由于DMC 24改善了AC共模抑制，因此CMC 20绕组可以具有较低的电感值，从而降低了CMC 20的DCR并提高了系统的整体效率。核心损失也减少了。这还允许在嘈杂的环境中使用传统的扭曲导线对12(例如，CAT-5电缆)而不是更昂贵的屏蔽电缆。

现在将参考图6-8描述用于精确测量扭曲导线对处的电压的技术。在传统系统中，来自PSE的DC电压在PSE的输出处被检测到，但是高DC电流产生电压降，例如跨越CMC，其中绕组具有直流电阻(DCR)。因此，测得的电压高于在绞合导线对端部实际施加的电压。某些应用需要精确测量施加到扭曲导线对的电压。

图6示出了PoDL系统，其中AC耦合终端电阻器40和41耦合到MDI连接器160的端子，以消除扭曲导线对12上的反射。PSE 48通过DMC 24在双绞线上提供DC电压。由于电容器42和43阻断DC，没有DC电压流过电阻器40和41。因此，电阻器40和41上没有DC电压降。

在需要测量MDI连接器160处的DC电压的情况下，为了精确测量施加到扭曲导线对12的电压，有时在MDI连接器160处连接附加导线(可能携带高电流)并直接测量MDI连接器160处的电压是不切实际的。

如图7所示，导体49连接在电阻器40和41与它们相关的电容器42和43之间的节点处。导体49通向PSE 48内的传统DC电压感测装置。电压感测装置可以产生识别电压或者否则所感测的电压用于确定系统的正确操作的模拟或数字信号。在一个实施例中，电压感测设备是模数转换器，其产生对应于模拟电压的数字信号。

因此，电压感测使用高度精确的开尔文感测，因为不对承载DC电流的导体执行感测。开尔文检测是指在非常低的载流导线而不是高电流导线上进行的电压检测。

在PD侧进行相同的开尔文检测，如图7所示，其中PD 50包含DC电压感测设备，例如用于确定系统是否满足特定要求。使用导体56将DC电压从AC耦合电阻器52和53分接，经由电容器54和55连接到地。

因此，使用MDI连接器端子处的开尔文检测，在PSE或PD中精确地测量进出绞合导线对12的电压。

跨越PSE 48和PD 50的DC电压端子的电容器使DC电压平滑。

图8示出了开尔文检测的另一个实施例，其中DC电压从AC耦合电阻器58和59的节点分接，通过电容器61和62连接到地。由于没有DC电流流过电阻器58和59，没有电压下降。因此，精确地测量了扭曲导线对12的端部处的DC电压。

在图8中，AC耦合电容器C1和C2将AC差分数据耦合到PHY 150，并且PHY 150的输入处的CMC 66移除AC共模噪声信号。

PSE 48通过CMC 68和DMC 70向扭曲的导线对12提供DC电压。两者都允许DC电压通过，而AC电压被阻断。在PD侧提供相同的配置，用于测量扭曲的导线对12处的电压。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛方面的情况下可以进行改变和修改，因此，所附权利要求包含在内。它们的范围是在本发明的真正精神和范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种用于从携带差分数据的一对导线中滤波AC共模信号的系统，包括：

第一端口，具有耦合到收发器的两个第一端子，所述收发器接收所述差分数据；

第二端口，具有耦合到该对导线的两个第二端子；

第三端口，具有连接到AC端接电路的两个第三端子；

耦合在所述第二端口和所述第一端口之间的共模扼流圈(CMC)，所述CMC包括具有两个具有相同极性的绕组的第一变压器；和

耦合在所述第一端口和所述第三端口之间的差分模式扼流圈(DMC)，所述DMC包括具有两个具有相反极性的绕组的第二变压器，

其中所述CMC衰减该对导线上的AC共模信号并基本上通过所述差分数据，和

其中所述DMC基本上通过从该对导线穿过CMC的AC共模信号，并将所述AC共模信号施加到所述端接电路，以在所述收发器接收之前进一步衰减所述AC共模信号。

2.权利要求1所述的系统，其中所述AC端接电路包括耦合在所述第三端子中一个和参考电压之间的第一电容器、以及耦合在所述第三端子中另一个和所述参考电压之间的第二电容器。

3.权利要求1所述的系统，其中所述AC端接电路包括耦合在两个第三端子和所述参考电压之间的第一电容器。

4.权利要求1所述的系统，其中所述AC端接电路包括连接到参考电压的两个第三端子。

5.权利要求1所述的系统，还包括通过DC耦合电路耦合到该对导线的DC电压源，其中所述DC电压源也用作AC端接电路。

6.权利要求5所述的系统，其中所述DC-耦合电路包括一个或多个电感器。

7.权利要求5所述的系统，其中所述DC耦合电路包括DMC，并且所述DC电压耦合到所述第三端口。

8.权利要求1所述的系统，其中所述收发器包括通过AC-耦合电路耦合到所述第一端口的PHY。

9.权利要求8所述的系统，其中所述AC-耦合电路包括与两个第一端子和PHY串联的电容器。