CN101371492A - 以太网供电控制器集成电路架构 - Google Patents

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CN101371492A CNA2007800030433A CN200780003043A CN101371492A CN 101371492 A CN101371492 A CN 101371492A CN A2007800030433 A CNA2007800030433 A CN A2007800030433A CN 200780003043 A CN200780003043 A CN 200780003043A CN 101371492 A CN101371492 A CN 101371492A
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Abstract

以太网供电(PoE)通信系统在相同通信链路上提供功率和数据通信，其中供电设备(PSE)提供直流电(例如48V直流电)给受电设备。同时，直流电通过相同的通信媒介将高速数据从一个节点传送到另一个节点。PSE通常包括控制器，其控制提供给通信链路的第二节点上的PD的直流电。PSE控制器测量流出和流入直流电供电线路的电压、电流和温度，以表征PD的功率需求。另外，PSE控制器检测和验证兼容的PD，对兼容的PD确定其功率分级签名，供电给PD，监测功率以及当不再需要功率时从PD降低或移除电源。在检测期间，如果PSE发现PD不兼容，PSE可阻止将功率提供给PD设备，防止PD受到可能的损害。

Description

以太网供电控制器集成电路架构
技术领域
本发明涉及以太网供电(PoE)设备，更具体地说，涉及一种电源设备集成电路。
背景技术
以太网通信提供了通信链路上的高速数据传输，该通信链路位于根据IEEE802.3以太网标准运行的两个通信节点之间。在两个节点间的通信媒介可以是用于以太网的双绞线，或其它适当类型的通信媒介。以太网供电(PoE)通信系统在公用通信链路上提供功率和数据传输。更具体地，连接到通信链路的第一个节点的物理层的供电设备(PSE)提供直流电(例如48V直流电)到通信链路的第二个节点上的受电设备(PD)。同时，直流电通过同样的通信媒介将高速数据从一个节点传输到另一个节点。
PSE典型地包括控制器，其控制提供直流电给通信链路的第二个节点处的PD。PSE控制器测量流出和流入直流电供电线路的电压、电流和温度，以表示PD的功率需求。另外，PSE控制器检测和验证兼容的PD、为经验证的PD确定其功率分级签名、供电给PD、监测功率以及当不再需要功率时降低或从PD移除电源。在检测期间，如果PSE发现PD不兼容，PSE可阻止对PD设备供电，防止PD受到可能的损害。
附图说明
附图与描述一起说明本发明，进一步提供解释本发明的原理，使相关技术人员能实施和使用本发明。
图1是传统以太网供电(PoE)系统的框图；
图2A是在传统PoE通信系统中供电设备(PSE)传输功率到受电设备(PD)的示意图；
图2B是在传统PoE通信系统中从供电设备(PSE)供电到受电设备(PD)的示意图；
图3A是本发明的一个实施例中供电设备(PSE)控制器的框图；
图3B是本发明的一个实施例中供电设备(PSE)控制器的详细框图；
图4A是本发明的一个实施例中电流检测数模转换器(检测IDAC)的框图；
图4B是本发明的一个实施例中通过检测功能测量电压以区分有效受电设备签名、无效设备签名、开负载(open load)、短路和高压的示例图；
图4C是本发明的另一个实施例中通过检测功能测量电压以区分有效受电设备签名、无效设备签名、开负载、短路和高压的示例图；
图5是本发明的一个实施例中分级电路的框图；
图6A是本发明的一个实施例中电流测量系统的框图；
图6B是本发明的一个实施例中电压测量系统的框图；
图6C是本发明的一个实施例中温度测量系统的框图；
图6D是本发明的一个实施例中综合电流和温度测量系统的框图；
图7是本发明的一个实施例中时分复用表的示意图；
图8A是本发明的一个实施例中测量系统和数字获取系统的示意图；
图8B是本发明的一个实施例中测量系统和数字获取系统的时序图；
图9是本发明的一个实施例中AC全阻抗测量系统的框图；
图10是本发明的一个实施例中PSE控制器的数字部分的框图；
图11A是本发明的一个实施例中用于PSE控制器的非管理型切换(unmanaged switch)/自动模式的框图；
图11B是本发明的一个实施例中用于PSE控制器的管理型切换/手动模式的框图；
图11C是本发明的一个实施例中用于PSE控制器的中央控制(websmart)切换/半自动模式的框图；
图12A是本发明的一个实施例中用于在集成电路(I2C)接口与管理数据输入/输出(MDIO)接口之间进行选择的间接寻址机制的示意图；
图12B是本发明的一个实施例中用来访问第二个集成电路(I2C)接口的间接寻址机制的示意图；
图12C是本发明的一个实施例中PSE控制器的联合测试行动小组(joint testaction group，JTAG)接口的框图；
图13是本发明的一个实施例中开关式电源(SMPS)的框图；
图14是本发明的一个实施例中启动电源的框图；
图15是本发明供电设备(PSE)控制器运行步骤的流程图。
具体实施方式
以下详细描述结合附图一起阐述了适合本发明的实施例。可能有其它的实施例，对实施例的修改仍在本发明的精神和范围内。因此，详细描述并不意味着限制本发明。本发明的范围由权利要求确定。
图1示出了通过普通通信媒介提供直流电和数据通信的传统以太网供电(PoE)系统100的框图。图1中，供电设备102通过导线104、110提供直流电给具有典型电负载108的受电设备(PD)106。PSE102和PD106还包括通过已知通信标准，如IEEE以太网标准运行的数据收发机。更具体地，PSE102包括位于PSE上的物理层设备，其与PD106中相应的物理层设备一起传输和接收高速率数据，这将在以下进一步描述。因此，PSE102和PD106之间的功率传输与导线(conductor)104上的高速率数据切换同时发生。在一个例子中，PSE102是数据切换机，其具有与一个或多个PD设备，如因特网电话或无线接入点通信的多个端口。
导线对104和110可携载高速率差分数据通信。在一实例中，每个导线对104和110包括一个或多个双绞线组，或任何其它种类能携载PSE与PD之间的数据传输和直流电(DC)功率传输的电缆或通信媒介。在以太网通信中，导线对104和110包括多个双绞线组，例如，对10千兆以太网使用4对双绞线。在10/100以太网中，4对中仅有2对携载数据通信，其它两对导线不使用。这里，为了便于讨论，将导线对称为以太网电缆或通信链路。
图2A提供了PoE系统100更详细的电路图，PSE102通过导线对104和110提供直流电给PD106。PSE102包括收发机物理层设备(或PHY)202，具有通过差分发送端口204和差分接收端口206双向发送和接收的能力。(这里，收发机被称为物理层)第一变压器208连接发送端口204和第一导线对104之间的高速率数据。类似地，第二变压器212连接接收端口206和第二导线对110之间的高速率数据。变压器208和212分别传递高速率数据到收发机202、从收发机202接收高速率数据，但隔离来自收发机端口的任何低频或直流(DC)电压，该电压可能是敏感的高压值。
第一变压器208包括初级和次级绕阻，次级绕阻(位于导线一边)包括中央分接头(center tap)210。类似地，第二变压器212包括初级和次级绕阻，次级绕阻(位于导线一边)包括中央分接头214。直流电压源216产生输出电压，可分别应用在位于导线一边的变压器208和110的中央分接头。中央分接头210连接DC电压源216的第一输出，中央分接头214连接DC电压源216的第二输出。这样，变压器208和212隔离了收发机202的敏感数据口204、206的DC电压源216的DC电压。DC输出电压的一个实例是48V，基于PD106的电压/功率要求，可使用其它电压。
PSE102还包括PSE控制器218，它基于PD106的动态需求控制DC电压源216。更具体地，PSE控制器218测量输出和输入直流电供电线路的电压、电流和温度，以表征PD106的功率需求。
进一步地，PSE控制器218检测和验证兼容的PD，确定经验证的PD的功率分级签名，供电给PD，监测功率，并在不再需要功率时降低或移除供给PD的功率。在检测期间，如果PSE发觉PD不兼容，PSE可阻止供电给PD设备，以保护PD不受到可能的损害。通过IEEE802.3afTM标准中的PSE，IEEE已经实施了对PD的检测、功率分级和监测的标准。
如图2A，将讨论PD106的内容和功能。PD106包括接收机物理层设备219，接收机物理层设备219具有通过差分发送端口236和差分接收端口234双向发送和接收的能力。第三变压器220连接第一导线对104和接收端口234之间的高速率数据。类似地，第四变压器224连接发送端口236和第二导线对110之间的高速率数据。变压器220和224分别传递高数率数据给接收机219、从收发机219接收高速率数据，但隔离了来自敏感收发机数据端口的任何低频或DC电压。
第三变压器220包括初级和次级绕阻，次级绕阻(位于导线一边)包括中央分接头222。类似地，第四变压器224包括初级和次级绕阻，次级绕阻(位于导线一边)包括中央分接头226。中央分接头222和226通过导线104和110提供直流电到PD106的典型负载108，负载108表示运行PD106所需要的动态功率。DC-DC转换器230在插入负载108之间，以在需要时逐步减低电压，满足PD106的电压要求。进一步地，多个DC-DC转换器230并联，输出多个不同的电压(3V、5V、12V)以提供PD106的不同负载108。
PD106还包括监测PoE配置的PD侧的电压和电流的PD控制器228。PD控制器228还在初始化期间提供回路导线110上必需的阻抗签名，使PSE控制器218识别PD是有效的PoE设备，并能对它的功率需求进行分级。
在理想的运行中，来自DC电源216的直流电(IDC)238通过第一中央分接头210，分流为通过导线对104携载的第一电流(I1)240和第二电流(I2)242。第一电流(I1)240和第二电流(I2)242在第三中央分接头222重组，重新形成直流电(IDC)238，从而为PD106供电。返回时，来自PD106的直流电(IDC)238通过第四中央分接头226，并被分流以通过导线对110传送。返回的DC电流在第二中央分接头214重组，回到DC电源216。如上所述，PSE102和PD106之间的数据传输与上面所述的DC电源同时发生。因此，第一通信签名244和/或第二通信签名246同时在PSE102和PD106之间分别通过导线对104和110差分携载。需注意的是，通信签名244和246是不受DC功率传输影响的差分签名。
图2A示出了供电给PD的一个选择配置。本领域的技术人员将会理解，也可使用其它的选择配置供电给PD。例如，图2B示出了在传统PoE通信系统中从供电设备(PSE)供电给受电设备(PD)的一个配置实例。终点PSE，可选择的A配置100是从PSE供电到PD的配置，如前面图2A中所述。终点PSE，可选择的B配置250是从PSE供电到PD的配置，其中两对导线携载数据，剩下的两对导线用来为PD供电。更具体地，中间的两对导线仅供电，外边的两对导线仅携载数据。类似地，中间的导线对不需要变压器，因为数据和功率携载在不同的专用导线对上。中跨的PSE，可选择的B252表示从PSE供电到PD的第三配置。在中跨的配置中，中跨包括PSE，供电给非PSE转换器/集线器的数据，使非PSE转换器/集线器能与配置252中所示的PD设备互联。如图所示，数据和功率在单独的导线上携载。中跨PSE，可选择的B252的进一步描述在标题为“Inband Management for Power Over Ethernet Midspan Using an EmbeddedSwitch”，申请日为2006年9月12日的美国专利申请中给出。下面描述的PSE控制器可用在图2A或图2B中描述的任一个可选择的PoE配置中。
图3A是根据本发明一个实施例中供电设备(PSE)控制器300的框图。PSE控制器300是PSE控制器218的实例，其执行四个端口的解决方案，允许PSE控制器300同时与四个以太网线路进行通信。如图3A所示，相应的PD106.0～106.03通过相应的PD104.0～104.3和110.0～110.3连接PSE控制器300。PD106.3分别通过中央分接头243.3和中央分接头210.3连接VPORTP_3和VPORTN_3脚。VPORTP_3和VPORTN_3脚被称为PORT3。类似地，PD106.2～PD106.0分别通过相应的中央分接头214和相应的中央分接头210连接VPORTP和VPORTN脚。与PORT3类似，对相应的PD106.2～106.0，VPORTP_2～VPORTP_0脚和VPORTN_2～VPORTN_0被称为相应的端口PORT2～PORT0。本技术领域的人员能意识到此处包含的技术同样能应用到n个端口的解决方案，其中使用PSE控制器300，以允许PSE控制器300与PD106.0～106.n通信。
图3B是本发明的一个实施例中供电设备(PSE)控制器的更详细的框图。PSE控制器300的主要功能是寻找PD的链路部分、分级PD、供电给链路部分(仅当检测到PD时)、监测链路部分上的功率、当不再需要功率时测量回到检测级的功率。
在一实施例中，PSE控制器300通过两个有效四线连接中的一个供电。在每个四线连接中，一对相关联的两导线携载幅值和极性相同的电流。在MDI-X连接中，导线1和2对应负极端口电压，表示为VPORTN，导线3和6对应正极端口电压，表示为VPORTP。另一方面，对MDI连接，导线1和2对应VPORTP，导线3和6对应VPORTN。MDI-X连接和MDI连接作为可选的A配置。对可选的B配置，导线4和5对应VPORTP，导线7和8对应VPORTN。
在运行模式下，PSE控制器300不提供操作电源到电源接口，直到PSE控制器300成功检测到需求供电的PD。PSE控制器300在有效检测后打开电源，否则PSE控制器300启动，在供电前成功完成一个新的检测循环。在一个实例中，如果没有应用电源，PSE控制器300在少于400ms的有效检测后打开电源，否则，如果PSE控制器300不能在400ms的最大时间内应用电源，它将初始化，在应用电能前完成一个新的检测循环。更具体地，在PSE控制器300供电给PD前，检测功能测量请求PD的负载。通过将来自对应检测电流检测数模转换器(current detection digital to analog converter)(检测IDAC)302的电流级应用到PD，检测功能测量是否PD有正确的签名阻抗和正确的签名。在一个实例中，PD有从19kΩ～26.5kΩ的正确签名阻抗和小于150nF的正确签名电容。
图4A示出了本发明的一个实施例中电流检测数模转换器(检测IDAC)400的框图。相应的检测IDAC302.0～302.3通过应用电流到相应的VPORTN[3:0]脚，促使一定的电流级流到PD中。图3所示的IDAC302.0～IDAC302.3中每一个IDAC都可使用一个IDAC400实施。
回到图4A，需要功率的PD连接到VPORTP和VPORTN。VPORTN通过电阻R1连接DMOS晶体管的漏级。在一个实例中，电阻R1值是15kΩ。一个例子是，晶体管Q1的栅极连接到如微处理器的合适控制源的控制线。控制线驱动晶体管Q1，晶体管Q1迫使电流到达VORTN。晶体管Q1的源极连接开关SW1至SW5形成的并联开关组的一个末端。数字部分338的两条控制线(图中未示出)控制开关SW1～SW5。数字部分338将在图10进一步描述。开关SW1～SW5还连接相应的电流源CS1～CS5。在进一步的实施例中，电流源CS1是170μA，每个电流源CS2～CS4是30μA，电流源CS5是10μA。
在运行期间，当两比特控制线驱动相应的开关SW1～SW5时，连接激活开关的对应电流源CS1～CS5提供应用在VPORTN的电流。例如，如果两比特控制线仅驱动SW1，那么在VPORTN的电流仅是CS1的幅值。类似地，如果两比特控制线驱动SW1和SW2，那么在VPORTN的电流是CS1和CS2的组合。在某些例子中，将来自相应检测IDAC302.0～302.3的特殊电流等级应用到PD中后，检测功能测量最终电压以区分有效受电设备签名、无效设备签名、开负载、短路和高压。检测功能使用2点检测、4点检测、或老式的检测来测量最终电压。
依照IEEE802.3af标准，检测功能使用2点检测、4点检测或老式的检测来测量，检测电压从2.8V到10V。图4B示出了本发明的一个实施例中2点检测功能确定电源设备签名的实例。2点检测功能使用2.8V～10V的检测电压做三次测量，生成连接有效PD检测签名的相邻测量值间的1V差的最小值。
图4B示出了如图4A描述的对应IDAC302.0～302.3将电流应用于PD的实例450，和通过检测功能来测量电压、以区分有效受电设备签名、无效设备签名、开负载、短路和高压的实例460。在一实例中，应用到VPORTN以测量点M0和M1的电流是170μA，用来测量点M2的电流是260μA。更具体地，检测功能测量3点的最终电压，表示为M0、M1和M2，以确定需要供电PD的签名阻抗和签名电容。
如图4B所示，2点检测功能在VPORTN的电流为第一值的时候测量M0。在36ms后，测量的电压下降(settle)后，检测功能在VPORTN的电流从第一值变为第二值之前测量M1。如果M1与M0之间的差在0.1875V内，可允许测量的电压下降。VPORTN的电流提高到第二值后，检测功能测量M2。M2与M1之间的差对应签名阻抗和签名电容的值。
图4C示出了通过如图4A描述的相应的IDAC302.0至302.3将电流应用于PD的实例460，和通过检测功能来测量电压、以区分有效受电设备签名、无效设备签名、开负载、短路和高压的实例470。在一实施例中，应用于VPORTN以测量M3的电流为170μA；测量M2的电流为200μA，测量M1的电流为230
μA，测量M0的电流为260μA。更具体地，检测功能测量四点的最终电压，表示为M0、M1、M2和M3，以确定需要供电的PD的签名阻抗和签名电容。
如图4C所示，在VPORTN的电流为第一个值的时候，4点检测功能测量M0。在VPORTN电流下降到第二个值后，检测功能测量M1。在VPORTN电流下降到第三个值后，检测功能测量M2。在VPORTN电流下降到第四个值后，检测功能测量M3。在测量四点M0～M3后，检测功能计算选择点之间的错误或δ，例如，检测功能计算在M0点测量的电压和在M2点测量的电压之间的δ，即δV0，以及在M1点测量的的电压和在M3点测量的电压之间的另一δ，即δV1。δV1和δV0之间的差对应签名阻抗和签名电容的值。
若没有签名阻抗，检测功能可使用老式的检测，来检测仅包含签名电容的PD设备。在某些老式的PD设备中，提供给PSE控制器300的签名是完全电容性的，可防止使用2点检测功能或4点检测功能检测到有效电能设备签名。PSE控制器300通过应用固定电流源和测量端口电压VPORT的斜率，来测量签名电容。执行老式的检测，以通过从VPORTN端口得到的固定电流ILEGACY来求取老式的PD的端口电容，然后测量通过VPORTN和VPORTP的电压的斜率，以求取PD电容。老式的检测功能能够激活电流源ILEGACY。电流源ILEGACY改变了老式的PD的电容。基于电容值校准采样的n*18ms或n*1.152ms的转换时间，可从端口电压提取出电容值，用以下公式测量：
CPD＝ILEGACY*(Δt/ΔVPORT)，         (1)
这里，CPD表示电容负载，ILEGACY表示固定电流源ILEGACY，Δt表示相邻采样的时间间隔，ΔVPORT表示端口电压的变化。
除了检测有效电源设备签名，PSE控制器300必须区分开负载状态和无效阻抗。开放电路检测功能与2点检测功能或4点检测功能一起执行。如果用于2点检测功能的测量点M0～M2或用于4点检测功能的M0～M3中任意一个达到10V，检测过程终止激活开放负载过程。在开放负载处理电流源CS5过程中，检测功能激活如图4A所示的电流源CS5。18ms后，开放负载检测功能重新测量达到10V的相应点。如果18ms后，检测的电压仍然比10V大，负载被认为是开放的(>500kohm)。在类似的方式下，如果图4B中用于2点的M0～M2或图4C中用于4点检测的M0～M3采样低于1V，检测功能检测到短路状态。类似地，如果图4B中用于2点检测的M0～M2或图4C中用于4点检测的M0～M3采样高于10V，PSE控制器300检测到高压状态。除此之外，PSE控制器300在开始开负载检测过程时检测高压状态，在开放负载检测过程中Vport下降到低于10V。
测量最终电压后，PD的签名阻抗和签名电容确定下来。PSE控制器300根据签名阻抗和并联签名电容确定有效供电设备签名。根据IEEE802.6af标准，有效受电设备签名有19kΩ到26.5kΩ范围的签名阻抗，和150nF的并联最大签名电容。在另一方面，无效设备签名有小于等于15kΩ的签名阻抗，大于等于33kΩ的签名阻抗，和/或大于等于10uF的签名电容。另外，15kΩ～19kΩ和26.5kΩ～33kΩ的签名阻抗被认为是有效受电设备签名或无效设备签名。在一实施例中，PSE控制器接受在15kΩ～19kΩ和26.5kΩ～33kΩ之间的签名阻抗，因此，将正确的签名阻抗扩大到15kΩ～33kΩ。
在使用检测功能确定有效受电设备签名后，PSE对PD分级，以允许如负载管理的特点的实施例。如果PSE成功完成了PD的检测，PSE不将PD分成等级1、2、3和4，那么PSE分配PD到等级0。PD成功的分级要求成功的PD检测，随后，是成功的等级0-4的分级。如果供给PD的功率不符合其公开等级的最大功率需求，PSE将会移除供给PD的功率。PSE通过应用电压和测量电流，来完成可选的分级。PSE分级电路有足够的稳定性来防止连接PD时的振荡。
图5本发明的一个实施例中分级电路的框图。PD连接在VPORTP和VPORTN之间，提供功率分级签名信息，允许PSE对它的功率需求分类。PSE控制器300通过测量分级电流确定功率分级签名，表示为ICLASS，用于给定的分级参考电压，表示为VREF_CLASS。
分级电路500为连接到VPORTP和VPORTN脚的PD提供大约15.5V～20.5V的电压。前置放大器326对通过VPORTP和VPORTN脚的电压进行转换，从微分波形转换为单端波形。更具体地，前置放大器326包括运算放大器AMP1，以及电阻R1～R4。在一实施例中，电阻R1和R2组合为6MΩ，电阻R3和电阻R4组合也是6MΩ。例如，如果R1是5MΩ，那么，R2是1MΩ。在另一实施例中，电阻R1～R4使用“多晶硅”来实施，也就是ρ系数(Rho)为1khom/平方的“Hi-Po”。电阻R1和电阻R2的组合与电阻R1和电阻R2的组合相等，因此，将运算放大器AMP1的增益大约设置为1。
分级模块312比较前置放大器826的输出与分级参考电压VREF_CLASS，产生分级电流ICLASS。更具体地，分级模块312使用表示为AMP2的比较器，比较前置放大器326的单端输出和分级参考电压。比较器AMP2的输出表示前置放大器326单端输出和分级参考电压VREF_CLASS之间的电压差。低阻抗电阻R5与比较器AMP2的输出串联，以提供静电放电(ESD)保护。在进一步的实施例中，电阻R5的值是600Ω。
主驱动器开关Q1基于前置放大器326的单端输出和分级参考电压VREF_CLASS之间的电压差，产生分级电流ICLASS。更具体地，比较器AMP2的输出驱动主驱动开关Q1。当比较器AMP2的输出大于主驱动开关Q1的门限电压时，主驱动开关Q1激活，产生分级电流ICLASS。因此，分级电流ICLASS的幅值部分依赖于比较器AMP2的输出。
PSE控制器测量分级电流ICLASS，并基于测量的分级电流ICLASS对PD分级。根据IEEE802.2af标准，PSE控制器300按照下表对PD分级：
 
测量的ICLASS 等级
0mA～5mA 等级0
大于5mA，小于8mA 等级0或1
8mA～13mA 等级1
大于13mA，小于16mA 等级0、1或2
16mA～21mA 等级2
大于21mA，小于25mA 等级0、2或3
25mA～31mA 等级3
大于31mA，小于35mA 等级0、3或4
35mA～45mA 等级4
大于45mA，小于51mA 等级0或4
PSE控制器300在三个不同的运行模式下操作。在检测模式下，PSE控制器300持续测量每个端口的电压。另一个方面，在分级模式下，PSE控制器300持续测量每个端口的电流。最终，在受电模式下，PSE控制器300持续测量每个端口的电流、电压和温度。更具体地，在对PD进行成功检测和分级后，PSE控制器300通过供电到驱动器304.0～304.3，开始在受电模式下运行。每个端口驱动器的电压、电流和温度使用图6A至图6D中描述的测量系统持续测量。
图6A是本发明一个实施例中电流测量系统的模块图。本发明的电流测量系统600作为图3所示的驱动器304.0～304.3的部分。测量端口驱动器电流的传统技术要求测量连接在晶体管的漏级和源极之间的串联电阻消耗的电压。晶体管的尺寸必须足够大，以安全处理PD引起的电压和电流。结果，给并联的电阻选择小电流以保存电能。并联电阻的小电流减低了准确测量串联电阻的能力，因此减小了电流测量系统的准确度。电流测量系统600使用无电阻电流传感器或无电阻开关的方式，代替了测量当前设备的电流。无电阻开关方式测量传感晶体管产生的复制电流和电流镜像。
如图6A所示，分级模块312的输出连接到分接电阻网络612。分级模块312的输出是对应PD分级的0mA～51mA的电流。分接电阻网络612的第一部分连接主晶体管614的栅极，而门缓冲放大器604的输入连接在分接电阻网络612的第一和第二部分之间，表示为620。主晶体管614的漏级连接VPORTN脚，而晶体管614的源极连接电压VSSP。
电流测量系统600使用门缓冲放大器604和漏级缓冲放大器602、以与主晶体管614类似的方式，偏置传感晶体管。更具体地，门缓冲放大器604复制主晶体管414的栅极到源极偏差。主晶体管414的栅极到源极电压与620和电压VSSP之间的电压差相应。类似地，传感晶体管的栅极-源极电压与门缓冲放大器604输出和电压VSSS之间的的电压差相应。门缓冲放大器604首先比较主晶体管414的栅极-源极电压和传感晶体管的栅极-源极电压，然后门缓冲放大器604校正其输出，复制主晶体管414的栅极-源极偏差。结果，传感晶体管的栅极以与主晶体管614栅极类似的方式下进行偏差。
类似地，漏级缓冲放大器604复制主晶体管614的漏级-源极偏差。主晶体管614的漏极-源极电压与电压VPORTN和电压VSSP的差相应。类似地，传感晶体管的漏极-源极电压与622的电压和电压VSSS之间的差相应。漏极缓冲放大器604首先比较主晶体管614的漏极-源极电压和传感晶体管的漏极-源极电压，然后基于比较结果校正晶体管610的电流，以复制主晶体管614的漏极-源极偏差。另一个方面，漏极缓冲放大器604转换晶体管610，允许晶体管606和晶体管608形成电流镜像的电流流入传感晶体管。
晶体管606和晶体管608形成的电流镜像通过晶体管610进入传感晶体管。将传感晶体管的大小设置得比主晶体管614小，与传感晶体管比较，成比例的电流量通过主晶体管614流入。通过测量传感晶体管的电流量，电流测量系统600存储电能。传感晶体管的电流复制通过晶体管608流入到电阻RSENSE624中。电流测量系统900测量电阻RSENSE624消耗的晶体管408的电流。
在一实施例中，电流测量系统600还包括电阻616和电容624组成的低通滤波器，其允许大约375kHz的带宽。晶体管614的电流复制造成的电阻RSENSE624的损耗将复制的电流转换为传感电压。传感电压进入ADC318，随后进入复用器308。在另一实施例中，低通滤波器作为复用器308或ADC318的一部分使用。
图6B是本发明一实施例中电压测量系统的框图。电压测量系统630可以由前置放大器326与图5描述的分级电路500一起来实现。更具体地，电压测量系统630和分级电路500在前置放大器326中实现，分享如AMP1的普通组件或彼此完全独立实现。
电压测量系统630测量连接到VPORTP和VPORTN脚的PD电压。在该选择性实施例，前置放大器326包括运算放大器AMP1，以及电阻R1～R4。在一实施例中，电阻R1和电阻R2组合为6兆欧(MΩ)，电阻R3和电阻R4的组合也是6MΩ。例如，如果R1是5MΩ，那么R2是1MΩ。在另一实施例中，电阻R1至R4使用“多晶硅”来实施，也就是ρ系数(Rho)为1khom/平方的“Hi-Po”。电阻R1和电阻R2的组合与电阻R3和电阻R4的组合相等，因此，将运算放大器AMP1的增益大约设置为1。分级电路500可共用运算放大器AMP1和电阻R1～R4。缓冲放大器AMP2通过复用器308将连接运算放大器AMP1连接到ADC318。电阻R5与电阻R6的比率决定缓冲放大器AMP2的增益。在一实施例中，缓冲放大器AMP2的增益在供电模式下设为1，在检测模式下设为5.625。
图6C是本发明一实施例中温度测量系统的框图。PSE控制器300使用温度测量系统650测量每个驱动器304.0～304.3的温度，作为预防测量值。PSE控制器在当测量的温度超过预设的极限时，关闭相关驱动器304.0～304.3的电源。
温度测量系统650测量电流测量系统600使用的主晶体管614的温度。更具体地，温度测量模块654测量主晶体管614的PN结656的温度。如前面图6A描述的，分级模块312的输出激活主晶体管614，允许电流从VPORTN传到VSSPA/B。PN结656的温度根据主晶体管614的电流量升高和降低。温度测量模块652的输出通过复用器308连接到ADC318。如果温度超过预设的极限，即使在其它端口检测本地发热状态，热关断装置(TSD)652从PD移除电能，允许其它端口继续运行。
除了端口温度关断机制，PSE控制器300包括全局(global)热关断装置(TSD)306，如果全局温度超过预设的极限，其从PD移除电源。更具体地，TSD306在测量的温度超过预设值时使所有端口不活动。TSD模块306在模拟电路中实现，因此温度测量系统650的温度测量值并不用于保护的目的。如果测量系统和数字获取系统650的温度采样的平均值超过TSD的预设温度值，所有的端口被关闭，PSE控制器300复位。
图6D是本发明的一个实施例中组合电流和温度测量系统的框图。组合电流和温度测量系统680在与图6A中描述的类似方式下测量电流，在与图6C中描述的类似方式下测量温度。组合电流和温度测量系统680包括附加电路，用来保护防止短路，调节传感晶体管的栅极电压，以及限制分级模块312的电流。
如图6A至图6C所示，每个测量系统都连接到复用器308和ADC318。PSE控制器300执行时分复用表，借此，电流测量系统600、电压测量系统630和温度测量系统650的对应输出被复用到单个数据流中，然后被ADC318数字化。PSE控制器300使用单个ADC318数字化信道复用器308的输出。图7是本发明一个实施例中时分复用表的示意图。PSE控制器300持续测量4个端口中每个的电流、电压和温度。PSE控制器的时分复用表分配三个信道，对全部12信道的每个端口，第一信道用于温度测量，第二信道用于电压测量，第三信道用于电流测量。
时分复用表分配测量4个端口中每个的电流、电压和温度的时间TMEASURMENT。在一实施例中，时分复用表分配144μs时间，来测量4个端口中每个的电流、电压和温度。时分复用表分配给每个端口时间TPORT，以测量电流、电压和温度。时间TPORT是整个测量时间TMEASURMENT与PSE控制器300的端口数的比率。例如，对144μs TMEASURMENT的四端口系统，每个端口分配36μs时间来测量电流、电压和温度。时分复用表进一步分配时间TTEMP、TVOLT和TCURR测量电流、电压和温度。TTEMP、TVOLT和TCURR的组合与TPORT相等。时分复用表分配相同时间间隔给TTEMP、TVOLT和TCURR，或分配不同时间间隔给TTEMP、TVOLT和TCURR，只要TTEMP、TVOLT和TCURR的组合与TPORT相等。例如，如图7所示，144μs TMEASURMENT的四端口系统给TTEMP、TVOLT和TCURR划分了12μs的相等时间间隔。每12μs的测量分为两阶段：第一阶段为复用器选择正确的设置，例如信道和端口设置，并开始模数转换，第二阶段等待转换结束，获取ADC结果。
图8A是本发明一实施例测量系统和数字获取系统的示意图。在运行期间，ADC318对根据图7所示的时分复用表打包的电流、电压和温度测量值进行采样。来自ADC318的采样从测量系统有限状态机(FSM)802传递到数字获取模块806。测量系统FSM802每144μs(通常18ms是128个采样)直接从ADC318提供电压、温度和电流采样。换句话说，测量系统FSM802存储时分复用测量值，并每144μs将每个端口的电压、温度和电流测量值提供给数据获取模块806。测量系统FSM802还为信道复用器308提供控制信号，用来根据图7所示的时分复用表对电压、温度和电流测量值打包。
图8B是本发明一实施例测量系统和数字获取系统的时序图。数据采样模块806存储测量系统FSM802提供的每个端口的八个电压、温度和电流测量值。另一方面，测量系统FSM802在整个1.152ms中每144μs为数据获取模块806提供每个端口的八个电压、温度和电流测量。数据获取模块806中的软件程序处理每个端口的八个电压、温度和电流测量值，然后将结果写入数据获取模块806中的寄存器。更具体地，数据获取模块806中的软件程序结合每个端口的八个电压、温度和电流测量值。
数据获取模块806中的软件程序同时将每个端口的电压、温度和电流测量值提供给微处理器804。微处理器804对电压、温度和电流测量值进行增益错误和偏移校正。使用OTP336的一次性可编程(OTP)系数对测量系统和数字获取系统800进行数字校正。为在温度上补偿测量系统，偏移和增益校正系数存储在两个最终测试温度点上。校正系数之间的插值基于实时测量的端口温度。微处理器804使用的增益和偏移系数基于端口数和它的运行模式。一些系数在不同操作模式中共用。接下来，偏移和增益补偿电压、温度和电流测量值从微处理器804发送，并每1.152ms存储在位于数据获取模块806内的寄存器中。为了滤除50Hz到60Hz的噪声，数据获取模块806结合16个1.152ms偏移和增益补偿电压、温度和电流测量值。
除了测量端口驱动器的电压、电流和温度外，PSE控制器300监测维持功能特征(maintain power signature，MPS)。如果MPS状态没有出现的时间比它的相关时间限制更长，PSE控制器从PD移除电源。MPS包括两个部分：AC MPS部分和DC MPS部分。PSE控制器300仅监测AC MPS部分，或仅检测DC MPS部分，或AC和DC MPS部分。
如果DC电流大于或等于10mA至少60ms，DC MPS部分出现。或者，如果DC电流从5mA～10mA，DC MPS部分出现或不出现。另外，当PSE控制器300检测DC电流从0～5mA时，DC MPS部分不出现。当DC MPS不出现有超过300ms～400ms的持续时间时，PSE控制器300从PD移除电源。另外，当PD电流每360ms～460ms超过或等于10mA至少60ms时，PSE控制器300不从PD移除电源。
当PSE控制器300检测到PD的AC阻抗等于或低于37kΩ时，AC MPS部分出现。另外，当PSE控制器300检测到AC阻抗在27kΩ～1980kΩ之间时，AC MPS部分出现或不出现。另外，当PSE控制器300检测到PD的AC阻抗等于或大于1980kΩ时，AC MPS不出现。当AC MPS部分不出现的持续时间超过300ms～400ms时，PSE控制器300从PD移除电源。
PSE控制器300对PD的对应VPORTP脚施加AC信号，来测量AC阻抗，该AC信号由充电泵生成。图9是本发明一实施例AC阻抗测量系统的框图。AC测量系统900包括充电泵330和AC断路模块328.0～328.3。与对应AC断路模块328.0～328.3连接的充电泵330在大约27.5Hz的频率下，在V48和VCHP之间切换脚VPORT_0～VPORT_3，以生成AC波形。
充电泵330是使用电容CCHP和CCP作为能量存储元件的电子电路，用来建立更高电压电源，表示为VCHP。充电泵330根据AMP1的输出(表示为VOPEN)和V48脚的电压组合，通过电容CCHP的充电和放电，形成更高电压源VCHP。电压VOPEN表示VPORTP探测AC电压，范围通常是1.9V～3.0V。电容CCP是连接到VCPA脚或VCPB脚(如图3所示的VCPA/B)的外部电容。与PD连接的端口0和1共用连接到VCPA脚的外部电容CCP，而与PD连接的端口2和3共用另一个连接到VCPB脚的外部电容CCP。为避免充电泵330的负载，端口0和1及端口2和3之间的时序被倒转，这样，一次仅一个端口对连接VCP。充电泵330还包括二极管D1，用来防止高压电源VCHP连接到脚V48；以及二极管D2，用来防止VCPA/B脚的外来信号连接到更高电压电源VCHP。
每个对应AC断路模块328.0～328.3根据对应SP<3:0>的时钟，在更高电压源VCHP和V48脚的电压之间进行转换。在一实施例中，从SP<3:0>的时钟以大约27.5的频率为中心。更具体地，每个相关AC断路模块328.0～328.3根据SP<3:0>时钟，在开关S1和开关S2之间转换，生成AC波形。AC波形在V48和VCHP之间从VPORT_0～VPORT_3脚切换对应的脚。
图10是本发明实施例中PSE控制器的数字部分的框图。数字部分338提供以下功能给PSE控制器300：所有端口通过软件控制检测、分级、启动和断开处理；持续监测每个端口的电压、电流和温度；为电流检测数模控制器提供合适的控制；为外部微控制器提供可选择的内部集成电路(I2C)/管理数据输入/输出(MSIO)接口，以进行功率管理并监测活动；以只读存储器(ROM)和静态随机存储器(SRAM)的形式提供片上程序存储器；支持固件贴片结构并从外部电可擦除只读存储器(EEPROM)加载到程序和外部数据SRAM中；存取特殊功能寄存器和多重内部/外部中断源，例如过高温和AC断路。这些功能仅作为解释目的，本技术领域的人员将会明白，还可执行其它功能。
数字部分338包括微处理器核1002，它通过编程存储总线和内部数据SRAM1024与存储器1004连接。数字部分338使用联合测试行动小组(JTAG)接口与TAP控制器1040一起完成边界扫描(boundary scan)测试。特殊功能寄存器(SFR)总线将包含多个SFR的的寄存器库1038连接到微存储器核1002。寄存器库1038提供特殊功能寄存器给测量系统模数转换器(ADC)定序器1046、AC断路模块1048、DC断路模块1050、端口控制器1052、短路检测模块1054、数模转换器(DAC)控制器1042、错误检测模块1056、端口过压(OV)和低压(UV)检测模块1058、以及I2C_1/MDIO_1选择模块336。数字部分338还包括超温(overtemp)模块1060和时钟/复位管理单元1062。数字部分338通过MDIO_1接口1018和I2C_1接口1020或I2C_2接口1016连接其它PSE控制器300。
通过在图11A至图11C所示的各种模式的主/从配置下运行，数字部分338与其它连接的以太网供电设备(POE)一起运行。使用MDIO_1接口1018、I2C_1接口1020和I2C_2接口1016，数字部分338设置为非管理型切换/自动模式、管理型切换/手动模式和中央控制切换/半自动模式。
I2C_1接口1020和I2C_2接口1016根据I2C标准，使用两线同步串行总线。SCLK位于I2C_1接口1020的SCLKIN1和SCLKOUT1脚和IC2_2接口1016的SCLK2脚，用作所有传递的时间基础，通常由主I2C驱动。SDATA位于I2C_1接口1020的SCLKOUT1的SDATAIN1/MDION和SDATAOUT1/MDIOOUT脚，以及I2C_2接口的SDATA2脚，是传输信息的双向串行数据信号。POEA中使用的I2C围绕I2C IP设置，其功能为现有技术。I2C_1接口1020在从模式下使用，而I2C_2接口1016在POEA配置的主或从模式下使用。
MDIO_1接口1018用作至外部CPU/微处理器的MDIO从接口。它允许外部软件驱动器访问特殊功能寄存器(SFR)，并发送控制命令给数字部分300。MDIO_1接口1018可以是多点两线总线，包括主控制器驱动的时钟信号和主设备或从设备驱动的双向数据信号。MDIO_1接口1018的功能为本技术领域熟知。
图11A是本发明一实施例中用于PSE控制器的非管理型切换/自动模式的框图。非管理型切换/自动模式提供了低成本使用，消除了外部微处理器(未示出)或光耦合器(未示出)的需要。在非管理型切换/自动模式下，不使用MDIO_1接口1018.1至1018.N和I2C_1接口1020.1至1020.N都未使用，I2C_2接口1016.2至1016.N连接到16PSE控制器300上(64个端口)。对该模式，在地址#0的设备，POEA设备包括数字部分338.1，其通常配置为I2C_2总线上的主设备，其它设备，PSE控制器300包括数字部分338.2至338.N，其配置为从设备。外部可选EEPROM1100用来支持定制寄存器设置和固件贴片结构。在一实施例中，外部EEPROM连接到图10所示的EE_SCL脚和EE_SDA脚。
图11B是本发明一实施例用于PSE控制器的管理型切换/手动模式的框图。管理型切换/手动模式使用外部微控制器1102实施，其作为MDIO_1接口1018.1至1018.N和12C_1接口1020.1至1020.N上的主设备。在管理型切换/手动模式下，所有的PSE控制器300配置为从控制器，并且不使用I2C_2接口1016.1至1016.N。电源管理由外部微控制器1102操纵，外部微控制器1102监测和控制系统中所有的端口。
图11C是本发明一实施例中用于PSE控制器的中央控制转换/半自动模式的框图。在中央控制转换/半自动模式下，外部微控制器1102作为MDIO_1接口1018.1～1018.N和I2C_1接口1020.1～1020.N上的主设备，用于检测和获取每个POEA设备的功率信息。外部微控制器1102不发送命令到PSE控制器300，而作为服务器，监测端口状态和收集统计数据。在地址#0的设备，POEA设备包括数字部分338.1，配置为I2C_2接口1016.1上的主控制器，管理网络上的功率。外部可选EEPROM1100支持定制寄存器设置和固件贴片机制的混合机制。
每个POEA设备的地址固定，通过图10所示的ADDR0脚、ADDR1、TDM/ADDR2(ADDR[3:0])存取。根据选择的运行模式，图11A～图11C所描述在地址#0的设备作为MDIO_1接口1018、I2C_1接口1020和/或I2C_2接口1016上的主控制器。每个POEA设备的运行模式由下表所示的ASIC_MODE0、ASIC_MODE1和ASIC_MODE2(ASIC_MODE[2:0])脚确定。
 
ASIC_MODE[2:0] 模式
000 管理型切换/手动模式
001 管理型切换/手动模式
010 中央控制转换/半自动模式
011 中央控制转换/半自动模式
100 非管理型切换机/自动模式
MDIO_1接口1018和I2C_1接口1020以及I2C_2接口1016可容纳多达16个PSE控制器300。换句话说，16个附加的PSE控制器300可连接在MDIO_1接口1018/I2C_1接口1020上，附加的16个PSE控制器300连接在I2C_2接口1016上。在PSE控制器300中使用的I2C_1接口1018和I2C_2接口1016寻址到128个I2C设备。
在启动时固件读ASIC_MODE[2:0]和ADDR[3:0]脚，以相应地配置PSE控制器300。固件设置寄存器或主/从固件选择，以提供一些示例。在启动时，微处理器804从程序ROM1006加载固件。程序ROM1006包括用于主和从运行模式的全部程序驱动器。当运行在中央控制切换/半自动模式或非管理型切换/自动模式下，微处理器804也可从外部EEPROM1100加载固件。主设备固件修补和它们相关修补表加载到程序SRAM1008，并通过I2C_2接口1016分发到所有的从设备。代码修补机制是根据功能决定，仅需软件处理。每个用于修补的功能都有前导码，该前导码根据从EEPROM数据建立的外部数据SRAM1010内的修补表，确定对该功能是否有修补表可用。外部数据SRAM1010的大小限制了修补表的大小。如果对该功能的修补可用，代码在程序SRAM1008中查找新的功能地址(其中，从外部EERROM加载修补表)，并分流。该过程需要提前识别哪个功能需要或不需要支持修补，且需要考虑软件架构定义。
图12A是根据本发明一实施例用于在集成电路(I2C)接口和管理数据输入/输出(MDIO)接口之间选择的间接寻址机制的示意图。在MDIO_1接口1018和I2C_1接口1020之间的选择是完全静态的，并依赖运行模式。使用间接寻址，通过寄存器库1038中的特殊功能寄存器(SFR)，对MDIO_1接口1018和I2C_1接口1020中的所选择的内部寄存器进行访问。SFR包括I2C_MDIO_1_Address寄存器、I2C_MDIO_1_WriteData寄存器和I2C_MDIO_1_ReadData寄存器。I2C_MDIO_1_WriteData寄存器包括微处理器804到MDIO_1接口1018或I2C_1接口1020的数据，而I2C_MDIO_1_ReadData寄存器包括MDIO_1接口1018或I2C_1接口1020到微处理器804的数据。
由于I2C_1/MDIO_1选择模块1036一次仅能选择一个接口，因此，这些特殊的SFR寄存器由MDIO_1接口1018和IC2_1接口1020共享。I2C_1/MDIO_1选择模块1036包括复用器1200～1204。复用器根据ASIC_MODE[2:0]和ADDR[2:0]的值，在MEDIO_1接口1018和I2C_1接口1020之间选择。ASIC_MODE[2:0]的值在MEDIO_1接口1018或I2C_1接口1020之间选择，而ADDR[2:0]的值确定访问哪个I2C/MDIO寄存器。根据ADDR[2:0]的值，选择模块1036访问I2C_1接口1020的以下寄存器：I2C_1SLAVE ADDRESSES寄存器、I2C_1DATA寄存器、I2C_1CNTR寄存器、I2C_1STAT寄存器和IC2_1SRST寄存器。类似地，根据ADDR[2:0]的值，选择模块1036访问MDIO_1接口1018的以下寄存器：MDIO REG ADDRESSES寄存器、MDIO CNTR寄存器、MDIOSTAT寄存器、MDIO_DATA1寄存器和MDIO_DATA2寄存器。
图12B是根据本发明一实施例用于访问第二集成电路(I2C)接口的间接寻址机制的示意图。通过寄存器库1038的SFR寄存器，使用间接寻址访问I2C_2接口1016的内部寄存器。SFR包括I2C_2_Address寄存器、I2C_2_ReadData寄存器和I2C_2_WriteData寄存器。I2C_2_WriteData寄存器包括从微处理器804到I2C_2接口1016的数据，而I2C_2_ReadData寄存器包括从I2C_2接口1016到微处理器804的数据。根据ADDR[2:0]的值，通过SFR总线，I2C_2接口1016的以下寄存器可访问微处理器804：I2C_2DATA寄存器、I2C_2CNTR寄存器、I2C_2STAT(READ ONLY)寄存器、I2C_2CCFC(WRITE ONLY)寄存器和I2C_1SRST寄存器。
虽然图10、图11A～11C和图12A～12B描述了连接多个PSE控制器的一个实施例，本领域的技术人员可知，可使用其它的选择来连接多个PSE控制器。例如，通用异步发送机/接收机(UART)接口可与I2C接口一起使用。
回到图10，微控制器核1002基于8比特微处理器结构，避免在相同配置中需要外部微处理器，允许在常规PSE控制器的使用上变动。在一实施例中，微控制器核1002在传统8501核上改进。传统8501核是本技术领域熟知的工业标准。为在传统8501核上节省空间，非必要的外围设备从传统8501核移除。
微控制器核1002包括8比特微处理器804，以通过连接到程序存储器总线的程序存储器控制器1014，访问存储器1004。除了程序存储器控制器1014，存储器1004包括程序ROM1006、程序SRAM1008、外部数据SRAM1010和EEPROM加载器1012。在一实施例中，微处理器804根据熟知的Harvard结构来实施，具有独立程序和数据空间。程序ROM1006和程序SRAM1008表示程序空间，外部数据SRAM1010和内部数据SRAM1024表示数据空间。程序存储空间映射到程序ROM1006和程序SRAM1008。程序ROM1006和程序SRAM1008的用法和映射取决于选择的运行模式和外部EEPROM1100的可用性。可用时，EEPROM加载器1012加载外部EEPROM1100的内容到程序SRAM1008中。EEPROM加载器1012使用2-线伪I2C接口执行读字节命令。EEPROM加载器1012趋向作为只读接口使用。数字部分338并不写或编程到连接EEPROM加载器1012的外部EEPROM1100(图10未示出)。EEPROM加载器1012在主和/或从设备配置下，为寄存器加载启动。例如，主控制器需要知道系统中可分配的总功率。EEPROM加载器1012还加载代码，以修补存储在程序ROM1006中的固件代码中的错误。EEPROM加载器1012进一步加载代码，该代码包括在固件代码中不可用的附加特征/功能。设在EEPROM加载器1012中的寄存器用来与微处理器804通信。微处理器804使用寄存器设置，来配置和监测串行EEPROM加载过程。外部串行EEPROM1100(图10未示出)的检测通过检测四字节序列来完成。如果加载器检测序列，则连接外部EEPROM1100。否则，不连接外部EEPROM1100。
数据存储空间映射到内部数据SRAM1024和外部数据SRAM1008。在一实施例中，内部数据SRAM1024的长度是256比特，在微控制器核中构成。外部数据存储器310对固件修补机制和附加数据存储能力提供支持。EEPROM加载器1012在可用时，从外部EEPROM1100加载代码到外部数据SRAM1008。外部数据SRAM1008物理上连接与程序ROM1006和程序SRAM1008相同的总线。
微控制器核1002使用特殊功能寄存器(SFR)总线访问特殊功能，例如乘法除法单元(MDU)1026、定时器模块1028、片上仪器(OCI)接口1032。MDU单元1026是片上结构单元，提供32比特除法、16比特乘法移位和正规特征。MDU单元1026主要用来处理和校正图8A和图8B所示的电压、温度和电流测量值。定时器1028包括两个16比特定时器，用于通过软件延时。因为微控制器核1002在传统8501核上改进，在软件中的延时循环运转不同于其它8501核，因此使用定时器1028代替软件进行延时循环。OCI接口1032将微控制器核1002与外部调试硬件连接。OCI接口1032不使用任何微控制器核1002源，而通过提供运行控制、存储器和寄存器可见、复杂断点和追踪历史特征，进一步增强微处理器核1002。
微控制器核1002进一步包括看门狗定时器1030。如果主程序由于一些错误状态，例如中止，而疏漏了通过写服务脉冲为看门狗提供常规服务，看门狗定时器1030触发系统复位。其目的是将系统从中止状态返回到正常运行状态。
数字部分338使用中断驱动。中断是来自硬件的异步信号，表示需要注意，或是软件中的同步时间，表明需要在执行上改变。硬件中断导致微控制器核1002通过内容转换保存它的执行状态，并开始执行中断处理器。软件中断通常作为指定组中的指定来执行。中断是用于计算机多任务处理，特别是实时计算的常用技术。在一实施例中，中断控制器支持13个具有4个优选等级的中断源。除了传统8501预分配中断，通信接口I2C_1/I2C_2/MDIO中断，nINT/READY脚的外部中断源，测量系统中断和/或如端口0的特殊端口中断也提供了一些可实现的例子。
图12C是根据本发明一实施例PSE控制器的JTAG接口的框图。OCI接口1032的控制通过JTAG接口的TCK、TRST和TD0脚。JTAG接口根据已知IEE1149.1标准执行边界扫描测试，该标准命名为标准测试访问端口和边界扫描体系，用于与边界扫描技术一起测试存取端口。数字部分338的JTAG接口通过图12C所示的TDM/ADDR3、TMS/ADDRR2、TCK、TRST和TD0脚来控制。如图12C所示，JTAG接口的基本元件包括测试访问端口(TAP)脚、TAP控制器和测试寄存器。图13描述了带一个TAP的装置的JTAG结构。数字部分338与两个TAP控制器一起执行。第一TAP是主要的，表示为TAP控制器340，用于数字部分338的内部节点的可测试性和可访问性。第二TAP是包括在OCI接口332之内的TAP控制器。如图10所示，TMS、TCK和TRST脚并联连接TAP控制器1040和OCI接口1032。TAP控制器1040是同步有限状态机，其响应TAP的TMS和TCK信号的变化，控制设备的JTAG电路的运行序列。TDI/ADDR3脚连接TAP控制器1040。TDO脚连接OCI接口1032的TDI脚，而TAP控制器1040的TDO脚是OCI接口1032中的一个。
回到图10，数字部分338进一步包括测量系统ADC定序器1046、AC断路模块1048、DC断路模块1050、端口控制器1052、短路电路模块1054、DAC控制器1042、错误检测模块1056、端口过压/低压(OV/UV)检测模块1058和超温模块1060。
测量系统ADC定序器1046、AC断路模块1048、DC断路模块1050、端口控制器1052、短路电路模块1054、DAC控制器1042、错误检测模块1056、端口过压/低压(OV/UV)检测模块1058和超温模块1060接收来自ADC318的数据。测量系统ADC定序器1046是图8描述的测量系统FSM802的一个实施例。AC断路模块1048确定AC MPS部分的出现或不出现。DC断路模块1050确定DC MPS部分的出现或不出现。复用器308使用端口控制器1052和测量系统ADC定序器1046，以产生如图7所示的时分复用表。短路电路模块1054用来检测图4A～4D所描述的短路。DAC控制器1042为图4A所示的IDAC304的开关SW1～SW5提供2-比特控制线。错误检测模块1056发送信号到中断控制器1034，一旦预定的错误状态发生，就产生中断，例如短路或开负载状态。端口过压/低压(OV/UV)检测模块1058用于检测图4A～4D中的OV/UV状态。超温模块1060检测模块1058用来检测图4A～4D中的超温状态。
回到图3，PSE控制器包括VDDA/V48电源监视器334，用于监测VDDA和/或V48脚的电压，还包括开关模式电源(SMPS)332，用于将V48脚的电压调节到合适级别，以供电给PSE控制器300的模块。SMPS332是电子电源单元，结合了开关调节器，以提供比线性调节器更大的效率。
图13是根据本发明一实施例开关模式电源(SMPS)的框图。如图13所示，感应器ISMPS、二极管DSMPS、电阻RSMPS和电容CL是外部元件。SMPS332通过VDDA2和VDDA脚传输功率到多个PSE控制器300。TESTANA脚用于使SMPS332可用或不可用。测试复用器324根据TESSTANA脚选择SMPS332的运行模式。SMPS332作为布克调节器使用，用于将48V转换到3.3V。布克调节器逐渐减低DC到DC转换器，在本技术领域是已知的。
如图13所示，晶体管Q1快速打开或关闭，根据HV驱动器和逻辑器1400稳定输出电压VSW。HV驱动器和逻辑器1400还提供超负荷(表示为OVERL)和过压(表示为OVERV)保护。更具体地，HV驱动器和逻辑器1400通过比较VDDA2脚的负载与VDDA脚上的负载，以及根据比较结果调节Q1的开关，来提供超负荷保护。HV控制器和逻辑器1400通过将参考电压与VDDA2脚比较，根据比较结果调整Q1的开关，来提供过压保护。
为降低外部电容CL的充电时间，使用从V48连接到VDDA的充电电阻(图13未示出)。该电阻还供电到内部振荡器320，其需要在SMPS打开之前运行。SMPS时钟速率，表示为CLK，在250kHz和285.724kHz之间OTP可编程，与ADC时钟同步。
V48提供的内部启动电源322用于产生带隙参考电压，并开启内部振荡器320和SMPS322。内部振荡器320用于为数字部分338提供时钟信号。图14是根据本发明一实施例启动电源的框图。如图14所示，启动电源322通过能带隙参考电压生成器314连接参考电压生成器316。启动电源322使用内部电压调节器来实施，产生能带隙参考电压(表示为VBG)，还产生取决于温度的电压(表示为CTAT)，该电压用于超高温功能。能带隙由OTP比特从OTP336调节得到。
回到图3，要表示PSE控制器300的状况，例如电源开或电源关，PSE控制器进一步包括连接对应外部LED(图3未示出)的发光二极管(LED)驱动器310。在一实施例中，LED驱动器310包括4个电路，每个电路用于单独驱动连接到LED0～LED3脚的四个外部LED。
图15根据本发明一实施例供电设备(PSE)控制器的操作流程图。本发明不限于该操作描述。另外，本技术领域的技术人员显然可知，根据此处的教导，其它操作控制流程也在本发明的范围和精神之内。以下描述图15中的步骤。
在步骤1502，PSE控制器通过测量连接的PD的签名阻抗和签名电容，进入到运行检测模式。从电流源(例如IDAC302)提供电流到PD，用于测量PD端口的电压。在用电压测量系统(例如电压测量系统630)测量电压后，PSE控制器进入步骤1504。
在步骤1504，签名阻抗和签名电容由步骤1502的电压测量值确定。当签名阻抗在19kΩ～26.5kΩ，签名电容小于150nF时，有效受电设备签名产生。如果未发现有效受电设备，PSE控制器回到步骤1502，如果发现有有效受电设备，PSE控制器进入步骤1506或1510。
步骤1506是可选步骤，否则PSE控制器进入步骤1510。在步骤1506，使用分级电路(例如分级电路500)，比较提供给PD的电压和分级参考电压，通过测量PD的分级电流，PSE控制器进入到运行分级模式。在通过电流测量系统(例如电流测量系统600)测量电流后，PSE控制器进入步骤1508。
在步骤1508，电源分级签名由PSE控制器确定。PSE控制器测量分级电流，根据步骤1506测量的分级电流对PD进行分级。在步骤1510，PSE控制器通过供电给驱动器电路，进入到供电模式，并开始测量每个端口的电流、电压和温度。
虽然上面描述了本发明的不同实施例，需明白的是，通过例子显示并不受限制，本领域技术人员显然可知其它形式的不同变化未脱离本发明的精神和范围。因此，本发明由权利要求定义。

Claims (20)

1.一种供电设备控制器，其特征在于，包括：
电流测量系统，用于测量受电设备的电流；
电压测量系统，用于测量受电设备的电压；
温度测量系统，用于测量电流测量系统的温度；以及
复用器，与电流测量系统、电压测量系统和温度测量系统连接。
2.根据权利要求1所述的供电设备控制器，其特征在于，电流测量系统使用连接到电流镜像的传感晶体管，以复制受电设备的电流。
3.根据权利要求2所述的供电设备控制器，其特征在于，电流测量系统测量受电设备的复制电流以确定受电设备的电流。
4.根据权利要求1所述的供电设备控制器，其特征在于，电压测量系统包括缓冲放大器，用于将受电设备的电压转换为单端信号。
5.根据权利要求1所述的供电设备控制器，其特征在于，温度测量系统测量用于电流测量系统中的晶体管的结点温度。
6.根据权利要求1所述的供电设备控制器，其特征在于，复用器的输出包括电流测量值、电压测量值和温度测量值。
7.根据权利要求6所述的供电设备控制器，其特征在于，电流测量值、电压测量值和温度测量值是时分复用的。
8.根据权利要求1所述的供电设备控制器，其特征在于，所述供电设备控制器进一步包括连接在微处理器和复用器之间的模数转换器。
9.根据权利要求8所述的供电设备控制器，其特征在于，所述模数转换器将复用器的输出由模拟转换为数字的。
10.根据权利要求1所述的供电设备控制器，其特征在于，所述供电设备控制器进一步包括连接到供应电压的电源的开关式电源，所述开关式电源调节供应电压，以提供电源给电流测量系统、电压测量系统或温度测量系统中的至少一个。
11.一种供电设备控制器，其特征在于，包括：
电流检测数模转换器，与电压测量系统连接，用于测量受电设备的电流；
分级模块，与电流测量系统连接，用于测量受电设备的电压；
复用器，与电流测量系统和电压测量系统连接；以及
微控制器核，与复用器连接。
12.根据权利要求11所述的供电设备控制器，其特征在于，电压测量系统使用电流检测数模转换器的输出，来测量受电设备的签名阻抗和签名电容。
13.根据权利要求12所述的供电设备控制器，其特征在于，微控制器核根据受电设备的签名阻抗和签名电容，确定有效功率签名。
14.根据权利要求11所述的供电设备控制器，其特征在于，电流测量系统使用分级模块的输出来测量受电设备的分级电流。
15.根据权利要求14所述的供电设备控制器，其特征在于，微控制器核根据分级电流确定分级签名。
16.根据权利要求11所述的供电设备控制器，其特征在于，微控制器核连接第一内部集成电路接口和第二内部集成电路接口。
17.根据权利要求11所述的供电设备控制器，其特征在于，所述供电设备控制器进一步包括连接到电源的开关式电源，所述开关式电源调节供应电压，以提供电能给数模转换器、分级模块、复用器和微控制器核中的至少一个。
18.一种用于对与供电设备控制器连接的受电设备进行检测和分级的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供电流给受电设备；
根据电流测量受电设备的电压，产生电压测量值；
在时分复用数据流中将电压测量值格式化到第一时隙；
根据电压测量值确定受电设备的设备签名；
提供电压给受电设备；
根据电压测量受电设备的电流，产生电流测量值；
在时分复用数据流中将电流测量值格式化到第二时隙；以及
根据电流测量值确定受电设备的功率分级签名。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，确定设备签名的步骤进一步包括：当签名阻抗在19kΩ～26.5kΩ，签名电容小于150nF时，分配有效电能设备签名给受电设备。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，确定受电设备的功率分级签名进一步包括：根据分级电流将相应的分级代码分配到受电设备。
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