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TW201810992A - 使用混合共模扼流線圈及電壓之凱文感測的通信系統 - Google Patents

使用混合共模扼流線圈及電壓之凱文感測的通信系統 Download PDF

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TW201810992A
TW201810992A TW106124601A TW106124601A TW201810992A TW 201810992 A TW201810992 A TW 201810992A TW 106124601 A TW106124601 A TW 106124601A TW 106124601 A TW106124601 A TW 106124601A TW 201810992 A TW201810992 A TW 201810992A
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Abstract

在一種經由一對導線傳導差動資料(differential data)之通信系統中，AC共模雜訊在一雜訊環境中非所要地耦合至該等導線。一混合共模扼流線圈(HCMC)在將該差動資料傳遞至一PHY時衰減該AC共模雜訊。該HCMC包含一CMC (繞組具有相同極性)及一差模扼流線圈(繞組具有相反極性)。該CMC衰減該AC共模雜訊，且該DMC將該經衰減AC共模雜訊傳遞至終端電路以將其消除。本發明亦揭示一種在一PoDL系統中藉由偵測未載送DC電流之導線上的電壓而對該對導線處之該DC電壓進行凱文感測(Kelvin sensing)以提供一更準確量測之技術。

Description

使用混合共模扼流線圈及電壓之凱文感測的通信系統
一個發明係關於使用一雙絞線對(twisted wire pair)上的差動資料之通信系統，且特定言之係關於用於改良共模及差模損失特性之技術。另一發明係關於資料線供電(Power Over Data Lines，PoDL)系統，其中來自一供電端設備(Power Sourcing Equipment，PSE)之電力在一單一導線對上傳輸至一受電端裝置(Powered Device，PD)，該單一導線對亦用於傳導差動資料信號(通常乙太網路信號)且實現對系統中的電壓之一更準確量測。
已知在資料線上傳輸電力以對遠端設備供電。以此方式，可消除針對受電端裝置(PD)提供任何外部電源之需要。此技術之一種形式係資料線供電(PoDL)，其中電力連同差動資料一起在一單一雙絞線對上傳輸。PoDL尤其在汽車中可能成為一流行技術。 圖1繪示自US 2016/0308683複製之一PoDL系統之一已知組態。一媒體相依介面(MDI)連接器160耦合至載送差動資料及一DC電壓兩者之一雙絞線對(未展示)。PoDL系統的兩個端之耦合可為相同的。 一PHY 150經由MDI連接器160、一共模扼流線圈(CMC) 210及AC耦合電容器C1及C2輸出差動資料且接收差動資料。PHY 150表示OSI模型中之實體層且係通常包含信號調節及解碼電路以將位元呈現給下一階段之一收發器。術語PHY係一技術術語且取決於特定應用而由各種IEEE標準定義。PHY通常為一積體電路。一數位處理器(未展示)耦合至PHY 150以處理資料。 若圖1之電路在PSE側上，則來自一電源140之DC電壓藉由分離電感器142耦合至導線。電感器142阻斷AC且傳遞DC。 來自MDI連接器160之導線端接於電阻器R1及R2以及電容器C3及C4以最小化反射。 圖2繪示另一先前技術電路，其中透過一雙絞線對12傳輸差動資料，且藉由CMC1及CMC2濾除共模雜訊。由於未傳導DC電壓，故可無需AC耦合電容器。 一CMC係一直列式變壓器，其具有與雙絞線對串聯之兩個繞組。如CMC繞組上之點所示，繞組具有相同極性，因此實質上抵消由一差模信號產生之磁場。因此，CMC對差模電流呈現較小電感或阻抗。然而，共模電流歸因於繞組之組合電感而經歷一高阻抗。 在兩個組態中，CMC理想地消除或極大地衰減共模RF雜訊，同時未對差動或DC電壓信號造成損失。然而，CMC具有妨礙其理想效能之約束。此等約束包含繞組間電容、繞組之DC電阻(DCR)及磁心損失(core loss)。CMC亦必須對差動資料呈現一低插入損失(insertion losss)及一高返回損失(return loss)。 一些應用需要在一雜訊環境中(諸如在一工廠中)達成極低位元錯誤率。單獨習知CMC無法在不增加差動資料插入損失之情況下實現此。使用者可用一屏蔽電纜取代非屏蔽雙絞線對(通常一Ethernet CAT-5電纜)，但此顯著增加費用。 需要一種用於差動資料通信以提供用於濾除共模雜訊之一更穩健技術之端接技術。 另外，在一些PoDL應用中，使用者需要知道系統中之特定節點處之實際電壓。在一些應用中，MDI連接器處之電壓經指定。然而，歸因於繞組之直流電阻(DCR) (其中DC電流之變動改變通過繞組之損失)，在CMC之下游無法量測此電壓。不應將更多連接添加至MDI (其可能載送一高PoDL電流)，此係因為此可導致額外寄生電容負載。較佳在未在MDI處進行任何直接連接之情況下在PD或PSE處偵測MDI電壓。需要一種在PSE或PD處準確地偵測MDI電壓之技術。
本文中揭示兩個發明。一個發明係一種用於差動資料雙絞線對以增加對雙絞線對上的AC共模RF雜訊之抑制之端接技術。另一發明係一種用於在一PoDL系統中準確地量測在一雙絞線對上傳輸之DC電壓之技術。 本文揭示一種混合共模扼流線圈(HCMC)，其具有三個埠，其中各埠由兩個端子組成。一第一埠耦合至一PHY。第二埠係其中繞組具有相同極性(點在相同端上)之一共模扼流線圈(CMC)之一第一端。第三埠係包含具相反極性的繞組(點在相對端上)之一差模扼流線圈(DMC)之一第一端。該CMC及DMC之第二端耦合至該第一埠。該第三埠耦合至一適合AC共模雜訊終端。該HCMC可為一單一模組。 該CMC在其兩個埠之間具有一大共模阻抗及一低差模阻抗。一AC共模信號在該第一埠與該第二埠之間之傳輸實質上受該CMC阻礙，而一差模信號之傳輸則未實質上受該CMC阻礙。相反地，一AC共模信號透過該DMC至該第三埠之傳輸未實質上受該DMC阻礙，而一AC差模信號之傳輸則實質上受該DMC阻礙。因此，該DMC僅將已傳遞通過該CMC之不需要的AC共模雜訊信號傳遞至該第三埠。因此，該CMC實質上阻斷AC共模雜訊且該DMC移除任何剩餘AC共模雜訊(將該AC共模雜訊轉移至該第三埠)。 由於該DMC改良AC共模抑制，故該等CMC繞組可具有一較低電感值，而減小該等CMC繞組之DCR且藉由增加該CMC之差模返回損失而改良該系統之總體效率。或者，該CMC電感可保持相同，且總體AC共模抑制可因該DMC之分流動作而增加。 此容許在一雜訊環境中使用一習知雙絞線對(例如，一CAT-5電纜)而非一更為昂貴的屏蔽電纜。 該第三埠可連接至一適合AC共模RF雜訊終端以減少反射(諸如接地(若雙絞線對未傳導DC))，或連接至經連接至接地之電容器，或第三埠端子可繫在一起且連接至一單一電容器以接地。 混合CMC實質上根據先前技術改良共模插入損失(即，減小共模雜訊)，同時達成高差模返回損失及低差模插入損失。 亦揭示一種用於在一PoDL系統中準確地量測雙絞線對處的DC電壓之技術。在習知系統中，在PSE之輸出端處偵測來自該PSE之電壓，但高DC電流產生諸如跨其中繞組具有一直流電阻(DCR)的CMC之電壓降。因此，該經量測電壓高於實際上在該雙絞線對之端處施加之電壓。 在一PoDL應用中，HCMC之第二埠耦合至一習知媒體相依介面(MDI)連接器，該MDI連接器耦合至一雙絞線對。為準確地量測施加至該雙絞線對之該電壓，在該MDI連接器處連接額外導線且直接在該MDI連接器處量測該電壓有時係不切實際的。一種解決方案係在該MDI連接器之輸入端處提供AC耦合終端電阻器且量測該等電阻器與其相關聯電容器之間之電壓。歸因於AC耦合至接地，接地之該等AC耦合終端電阻器減少信號反射且實質上不傳導DC電流。因此，不存在跨該等電阻器之電壓降。因此，電壓感測因未對載送DC電流的導體執行感測而使用高度準確的凱文感測。凱文感測係指在極低載流導線而非高電流導線上完成電壓偵測。可藉由一習知電壓感測器在PSE或PD中執行電壓感測。
相關申請案之交叉參考 本申請案係基於且主張Andrew J. Gardner於2016年7月25日申請之美國臨時申請案序號62/366,308之優先權，且其亦基於且主張Andrew J. Gardner於2017年2月13日申請之美國臨時申請案序號62/458,522之優先權，兩個申請案以引用的方式併入本文中。 圖3繪示一混合共模扼流線圈(HCMC) 16之使用。HCMC 16具有三個埠，其中各埠由兩個端子組成。第一埠18係一CMC 20之一第一端，且一第二埠22係CMC 20之另一端。若將HCMC 16併入於一PoDL系統中，則可將AC耦合電容器耦合於第一埠18與PHY 150 (一收發器)之間。一雙絞線對12 (其用於載送差動資料)可耦合至第二埠22。一MDI連接器可用以連接於第二埠22與雙絞線對12之間。CMC 20之兩個繞組具有相同極性(點在第二埠端處)，因此CMC 20阻礙(極大地衰減)共模雜訊信號。CMC 20之第一端亦耦合至一差模扼流線圈(DMC) 24，其係包含具相反極性的繞組(點在相反端上)之一變壓器。DMC 24之另一端係第三埠26。第三埠26可耦合至一適合AC終端以最小化反射。 歸因於繞組之相反極性，DMC 24阻斷由PHY150產生之及來自導線對12之AC差動信號。 HCMC 16實質上減小導線對12上之共模雜訊，同時達成一高差模返回損失(阻尼反射)及低差模插入損失。 CMC 20歸因於其繞組具有相同極性而具有一大共模阻抗，因此阻斷導線對12上之共模雜訊。CMC 20歸因於其繞組具有相同極性而在其兩個埠之間具有一低差模阻抗，因此差動資料自由通過。CMC 20亦使來自一PoDL系統中之一PSE電壓源之任何DC電壓自由通過。若使用一PoDL系統，則可使用圖1中之電感器142將DC電壓連接至雙絞線對12，或可將DC電壓連接至第三埠26，其中電源供應器吸收傳遞通過DMC 24之AC共模雜訊。 相反地，藉由DMC 24之動作，一AC共模信號在CMC 20與第三埠26之間之傳輸實質上未受DMC 24阻礙，而一AC差模信號之傳輸實質上受DMC 24阻礙。以此方式，連接至第三埠26之電路可用以實質上消除已傳遞通過CMC 20之任何AC共模信號。連接至第三埠26之此電路可包含接地，如圖3中所示，假定系統並非一PoDL系統。 在圖4及圖5中展示耦合至第三埠26以端接導線且消除AC共模信號之其他電路。圖4繪示第三埠26經由AC耦合電容器30及32連接至接地以端接導線且消除AC共模信號。圖5繪示將第三埠26之兩個端子連接在一起且接著經由一AC耦合電容器34連接至接地以端接導線且消除AC共模信號。 由於DMC 24改良AC共模抑制，故CMC 20繞組可具有一較低阻抗值，而導致降低CMC 20之DCR且改良系統之總體效率。亦減小磁心損失。此亦容許在一雜訊環境中使用一習知雙絞線對12 (例如，一CAT-5電纜)而非一更為昂貴的屏蔽電纜。 現將參考圖6至圖8描述一種用於準確地量測雙絞線對處之電壓之技術。在習知系統中，在PSE之輸出端處偵測來自PSE之DC電壓，但高DC電流產生諸如跨其中繞組具有一直流電阻(DCR)的CMC之電壓降。因此，經量測電壓高於實際上在雙絞線對之端處施加之電壓。一些應用需要準確地量測施加至雙絞線對之電壓。 圖6繪示一PoDL系統，其中將AC耦合終端電阻器40及41耦合至MDI連接器160之端子以消除雙絞線對12上之反射。一PSE 48經由DMC 24提供雙絞線對上之一DC電壓。歸因於電容器42及43阻斷DC，無DC電壓流動通過電阻器40及41。因此，不存在跨電阻器40及41之DC電壓降。 在其中需要量測MDI連接器160處之DC電壓之情況中，為準確地量測施加至雙絞線對12之電壓，在MDI連接器160 (其可能載送一高電流)處連接額外導線且直接在MDI連接器160處量測電壓有時係不切實際的。 如圖7中所示，在電阻器40及41與其相關聯電容器42及43之間之節點處連接導體49。導體49引至PSE 48內之一習知DC電壓感測裝置。電壓感測裝置可產生識別電壓之一類比或數位信號，或經感測電壓以其他方式用於判定系統之適當操作。在一項實施例中，電壓感測裝置係產生對應於類比電壓之一數位信號之一類比轉數位轉換器。 因此，電壓感測因未對載送DC電流之導體執行感測而使用高度準確的凱文感測。凱文感測係指在極低載流導線而非高電流導線上完成電壓偵測。 在圖7中所示之PD側上完成相同凱文感測，其中PD 50含有DC電壓感測裝置以諸如判定系統是否滿足特定需求。自經由電容器54及55連接至接地的AC耦合電阻器52及53分接DC電壓。 因此，在MDI連接器端子處使用凱文感測而在PSE或PD中準確地量測進入且離開雙絞線對12之電壓。 跨PSE 48及PD 50的DC電壓端子之電容器使DC電壓平滑化。 圖8繪示凱文感測之另一實施例，其中自經由電容器61及62連接至接地之AC耦合電阻器58及59之節點分接DC電壓。由於無DC電流流動通過電阻器58及59，故不存在電壓降。因此，準確地量測雙絞線對12之端處之DC電壓。 在圖8中，AC耦合電容器C1及C2將AC差動資料耦合至PHY 150，且CMC 66在PHY 150之輸入端處移除AC共模雜訊信號。 PSE 48經由一CMC 68及一DMC 70將DC電壓提供至雙絞線對12。CMC 68及DMC 70兩者皆容許DC電壓通過，同時阻斷AC電壓。在PD側上提供一相同組態以量測雙絞線對12處之電壓。 雖然已展示並描述本發明之特定實施例，但熟習此項技術者將顯而易見，可在不脫離本發明之情況下對其廣泛態樣進行改變及修改，且因此隨附申請專利範圍在其範疇內涵蓋在本發明之真正精神及範疇內之全部此等改變及修改。
12‧‧‧雙絞線/導線對
16‧‧‧混合共模扼流線圈(HCMC)
18‧‧‧第一埠
20‧‧‧共模扼流線圈(CMC)
22‧‧‧第二埠
24‧‧‧差模扼流線圈(DMC)
26‧‧‧第三埠
30‧‧‧AC耦合電容器
32‧‧‧AC耦合電容器
34‧‧‧AC耦合電容器
40‧‧‧AC耦合終端電阻器
41‧‧‧AC耦合終端電阻器
42‧‧‧電容器
43‧‧‧電容器
48‧‧‧供電端設備(PSE)
49‧‧‧導體
50‧‧‧受電端裝置(PD)
52‧‧‧AC耦合電阻器
53‧‧‧AC耦合電阻器
54‧‧‧電容器
55‧‧‧電容器
58‧‧‧AC耦合電阻器
59‧‧‧AC耦合電阻器
61‧‧‧電容器
62‧‧‧電容器
66‧‧‧共模扼流線圈(CMC)
68‧‧‧共模扼流線圈(CMC)
70‧‧‧差模扼流線圈(DMC)
140‧‧‧電源
142‧‧‧電感器
150‧‧‧實體層(PHY)
160‧‧‧媒體相依介面(MDI)連接器
210‧‧‧共模扼流線圈(CMC)
C1‧‧‧AC耦合電容器
C2‧‧‧AC耦合電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
圖1繪示一習知PoDL系統之一個端，其實現在一單一導線對上進行乙太網絡通信及電力傳輸。另一端係相同的，惟PSE或PD除外。 圖2繪示在一PHY與一雙絞線對之間載送差動資料信號之用於濾除共模雜訊之CMC。 圖3繪示用以藉由將DMC端子(第三埠)耦合至接地而端接導線以改良AC共模插入損失之一混合CMC。 圖4繪示用以藉由經由AC耦合電容器將DMC端子(第三埠)耦合至接地而端接導線之混合CMC。 圖5繪示用以藉由將DMC端子(第三埠)耦合在一起且接著經由AC耦合電容器耦合至接地而端接導線之混合CMC。 圖6繪示一PoDL系統中之混合CMC，其中導線在MDI連接器與CMC之間端接於電阻器及AC耦合電容器。 圖7繪示應用於圖7之電路以準確地量測MDI連接器處之DC電壓之一技術。 圖8繪示用於準確地量測MDI連接器處之DC電壓之另一技術。 在各個圖中，用相同數字標記相同或等效元件。

Claims (9)

  1. 一種用於濾波來自載送差動資料的一對導線之AC共模信號之系統，該系統包括： 一第一埠，其具有耦合至接收該差動資料之一收發器之兩個第一端子； 一第二埠，其具有耦合至該對導線之兩個第二端子； 一第三埠，其具有連接至AC終端電路之兩個第三端子； 一共模扼流線圈(CMC)，其耦合於該第二埠與該第一埠之間，該CMC包括包含具相同極性的兩個繞組之一第一變壓器；及 一差模扼流線圈(DMC)，其耦合於該第一埠與該第三埠之間，該DMC包括包含具相反極性的兩個繞組之一第二變壓器， 其中該CMC衰減該對導線上之AC共模信號且實質上傳遞該差動資料，及 其中該DMC實質上傳遞來自該對導線之傳遞通過該CMC之該等AC共模信號，且將該等AC共模信號施加至該終端電路以在由該收發器接收之前進一步衰減該等AC共模信號。
  2. 如請求項1之系統，其中該AC終端電路包括耦合於該等第三端子之一者與一參考電壓之間之一第一電容器，及耦合於該等第三端子之另一者與該參考電壓之間之一第二電容器。
  3. 如請求項1之系統，其中該AC終端電路包括耦合於該兩個第三端子與一參考電壓之間之一第一電容器。
  4. 如請求項1之系統，其中該AC終端電路包括連接至一參考電壓之該兩個第三端子。
  5. 如請求項1之系統，其進一步包括經由一DC耦合電路耦合至該對導線之一DC電壓源，其中該DC電壓源亦充當該AC終端電路。
  6. 如請求項5之系統，其中該DC耦合電路包括一或多個電感器。
  7. 如請求項5之系統，其中該DC耦合電路包括該DMC，且該DC電壓耦合至該第三埠。
  8. 如請求項1之系統，其中該收發器包括經由AC耦合電路耦合至該第一埠之一PHY。
  9. 如請求項8之系統，其中該AC耦合電路包括與該兩個第一端子及該PHY串聯之電容器。
TW106124601A 2016-07-25 2017-07-21 用於濾波來自載送差動資料的一對導線之交流共模信號之系統 TWI658710B (zh)

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US62/458,522 2017-02-13
US15/653,170 2017-07-18
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