基于總線的小功率供電系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

石 瓊，李謨發(fā)，陳文明，宋運(yùn)雄

（湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101）

基于總線的小功率供電系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

石 瓊，李謨發(fā)，陳文明，宋運(yùn)雄

（湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101）

鑒于采用總線通訊間隙供電的方式可以有效降低布線成本，提出了一種基于通訊總線和單相PWM的小功率電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理，詳細(xì)闡述了實(shí)現(xiàn)總線小功率供電的軟硬件，并分析和測(cè)試了系統(tǒng)功能.實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于小功率節(jié)點(diǎn)的總線技術(shù)的研究和發(fā)展具有一定意義.

通訊間隙；總線供電；小功率電源；PWM

基于總線工作的系統(tǒng)供電一般采用兩種方式：一種是獨(dú)立雙電源線的UPS集中供電方式；另一種是采用獨(dú)立220V家用交流電本地轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流源的方式.系統(tǒng)安裝時(shí)，前者需要獨(dú)立布兩根電源線而導(dǎo)致工作量大，成本增加，后者每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)AC／DC電源轉(zhuǎn)換模塊，成本也會(huì)急劇增加.

隨著對(duì)總線供電的研究的不斷深入，出現(xiàn)了單總線通訊／供電技術(shù)、以太網(wǎng)冗余的POE供電技術(shù)、XY－CN的總線供電技術(shù)等研究成果.基于這些研究，作者研制了一種基于通訊總線和單相PWM供電技術(shù)的小功率電源系統(tǒng)，用以解決小功率工作的總線系統(tǒng)的供電問題.

1 總線電源原理

協(xié)調(diào)好總線上通訊與供電之間的工作是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵.總線電源的設(shè)計(jì)思路是：在總線通訊間隙，通過控制中心采用PWM控制的方式向用戶端發(fā)送一驅(qū)動(dòng)能力足夠大的連續(xù)脈沖電源信號(hào)，小功耗節(jié)點(diǎn)在總線供電期間通過電容存儲(chǔ)足夠的電量，解決自身在一個(gè)通訊／供電周期內(nèi)的用電需求.總線電源系統(tǒng)由控制中心的供電部分和小功耗節(jié)點(diǎn)的取電部分兩大部分構(gòu)成.其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示.

圖1 總線電源結(jié)構(gòu)原理

供電部分的K1、K2是一對(duì)PWM同步控制的電子開關(guān)對(duì)，它們具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，可以為總線供電提供足夠的電流；D1、D2為穩(wěn)壓管，防止總線電壓瞬時(shí)過高，保護(hù)總線線路以及總線收發(fā)器.

取電部分的K3、K4是一對(duì)具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的總線電壓同步控制電子開關(guān)對(duì)，當(dāng)總線電壓高于一定值時(shí)，K3、K4自動(dòng)閉合，可以為取電工作的用節(jié)點(diǎn)提供足夠的電量，電容C1在總線供電期間存儲(chǔ)足夠的電量，經(jīng)電壓調(diào)理電路調(diào)理后供后續(xù)電路工作.

在總線通訊空隙，MCU產(chǎn)生一路PWM信號(hào)，控制電子開關(guān)K1、K2啟閉，直流電壓源連接到雙總線的兩端，總線上將得到一個(gè)PWM電源信號(hào)，該信號(hào)自動(dòng)控制K3、K4的啟閉，電容C1間斷接入控制部分直流電壓源的兩端，形成閉合回路，實(shí)現(xiàn)了PWM控制的總線供電.通過調(diào)整連續(xù)脈沖電源信號(hào)的占空比和周期，可以調(diào)整總線的電流和用戶端電容存儲(chǔ)的電量，使之達(dá)到最佳，所謂的最佳是指總線供電電流最小，用戶端電容存儲(chǔ)的電量恰當(dāng).

2 硬件電路設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證總線小功率電源理論的可行性，以最常用的485總線工作方式的溫濕度傳感器作為硬件電路設(shè)計(jì)的對(duì)象，分供電電路和取電電路兩部分進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，并做了參數(shù)的理論計(jì)算推導(dǎo).

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

采用總線供電的工作系統(tǒng)，總線的上限載有功率與終端需求的能量消耗是一對(duì)矛盾.在不超過總線上限載有功率的前提下，盡量提高總線供電能力、降低終端需求的能量消耗是實(shí)現(xiàn)總線供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵.為了提高總線供電能力，降低總線供電平均功率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成單相PWM控制的供電方式.具體供電電路如圖2所示.供電電路由控制電路和短路自動(dòng)保護(hù)電路兩部分構(gòu)成.

供電電路用來產(chǎn)生一個(gè)0～12V變化的PWM波.在485通訊間隙，MCU產(chǎn)生一個(gè)單相的0～3.3V變化的PWM控制波形，控制光耦TL1的通斷，使得Q1管的e端得到一個(gè)電壓為0～12V變化的PWM波，總線485－A線動(dòng)態(tài)連接到了電源正端.同時(shí)，Q2管在供電期間隨12V的PWM波的高低變化而自動(dòng)通斷，總線485－B線動(dòng)態(tài)連接到了電源負(fù)端，確保了數(shù)據(jù)采集終端連接到了通訊與供電控制器12V電源的閉合回路中，實(shí)現(xiàn)了總線供電功能.

圖2 供電電路

短路自動(dòng)保護(hù)電路用于線路供電短路保護(hù).當(dāng)總線485－A、485－B線出現(xiàn)短路情況時(shí)，485－B線被連接到12V電源＋正端，可恢復(fù)性保險(xiǎn)將因通過的電流過大而熔斷，R2、R3、穩(wěn)壓二極管D3產(chǎn)生一個(gè)3V的高電平，MCU識(shí)別該高電平，馬上中斷供電，達(dá)到快速保護(hù)總線安全的目的.

2.2 取電電路設(shè)計(jì)

取電電路需要解決兩個(gè)問題：一是電量的存儲(chǔ)問題；二是取電與485通訊的自動(dòng)隔離問題.具體電路圖如3所示.

圖3 取電電路

當(dāng)總線485－A線上的電壓高于7V（4.7＋2.3 V）時(shí)，三級(jí)管Q1導(dǎo)通，電容C1通過485－A線與485－B線接入通訊與供電控制器12V電源的閉合回路，電容通過二極管D4充電；反之，C1未接入12 V電源的閉合回路，電容僅處于供電狀態(tài).圖中二極管D4有兩重作用：一是確保電容上電壓不對(duì)總線通訊造成影響；二是電容充電時(shí)限流.

2.3 供電參數(shù)計(jì)算

假設(shè)單個(gè)溫濕度采集終端工作平均電流為Ii，工作電壓Ui，通訊與供電控制器一個(gè)主循環(huán)時(shí)間（一次通訊時(shí)間＋一次供電時(shí)間）為T1，通訊與供電控制器電量到溫濕度采集終端電量的傳輸效率為η，同一段總線上溫濕度采集終端個(gè)數(shù)n，則n個(gè)終端需要消耗的總能量為

假設(shè)總線供電最大平均功率為P，一個(gè)供電周期時(shí)長為T2，則同一段總線總供給能量為

根據(jù)總供給能量要等于總消耗能量，可得總線供電最大功率P與電流節(jié)點(diǎn)積（單個(gè)節(jié)點(diǎn)電流以及可驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)n）之間的關(guān)系為

考慮到系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠的需要，程序設(shè)計(jì)總線供電持續(xù)時(shí)間T2等于一次通訊時(shí)間，所以一個(gè)主循環(huán)時(shí)間T1＝2 T2.假設(shè)通訊與供電控制器電量到節(jié)點(diǎn)電量的傳輸效率η等于50%，各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作電壓均為3.3V，工作電流均為Ii，則

總線供電最大平均功率P又受總線驅(qū)動(dòng)芯片承受電壓，以及K1、K2的可驅(qū)動(dòng)電流制約.假設(shè)驅(qū)動(dòng)芯片最大承受電壓為U（總線供電端電源電壓），K1、K2可驅(qū)動(dòng)最大電流為IK1K2，PWM控制脈沖的占空比為τ／T，則最大功率P與τ／T的關(guān)系為

由（4）（5）式知，當(dāng)設(shè)計(jì)的總線電源硬件電路的U、IK1K2、Ii一定時(shí)，PWM 控制脈沖的占空比τ／T可決定總線電源的可驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將設(shè)計(jì)的總線小功率電源系統(tǒng)運(yùn)行于我校新建的校辦公大樓485總線的溫濕度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，使用100M數(shù)字示波器測(cè)試了該系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)／供電波形和任意一個(gè)終端工作電壓波形，分別如圖4、圖5所示.

圖4 總線數(shù)據(jù)／供電波形

圖5 終端工作電壓波形

圖4中波形幅度變化較大的部分為供電周期總線上的連續(xù)脈沖波形，幅度波形變化較小的部分為通訊周期總線上的485數(shù)據(jù)波形.從兩種波形的時(shí)間間隔上可以看出：供電連續(xù)脈沖波形和通訊波形相互充分隔離，供電脈沖可以在總線上安全地運(yùn)行.根據(jù)圖5顯示的波形數(shù)據(jù)，可以計(jì)算終端工作電壓紋波小于6mV，滿足電源紋波小的要求，說明總線供電可以保證終端可靠、穩(wěn)定運(yùn)行.

4 結(jié)束語

利用總線的通訊間隙，采用單相PWM控制的總線供電技術(shù)，通過控制器對(duì)各采集點(diǎn)集中供電的方法，具有低成本、通訊可靠、不需分散供電或單獨(dú)布系統(tǒng)電源線等優(yōu)點(diǎn).本文重點(diǎn)分析了基于總線的PWM供電方式的電路結(jié)構(gòu)，并給出了關(guān)鍵參數(shù)選擇的理論計(jì)算.總線的PWM總線供電技術(shù)的研究對(duì)現(xiàn)有建筑的溫濕度管理的工程改造將帶來巨大的價(jià)值，也對(duì)低功耗的總線工作方式的系統(tǒng)具有一定指導(dǎo)意義.

［1］Marco Liserre，F(xiàn)rede Blaabjerg，Antonio Dell＇Aquila.Step－by－step Design Procedure for a Grid－connected three－phase PWM Voltage Source Converter［J］.International Journal of Electronics，2004（8）.

［2］佚名.XY.CN總線供電及通訊系統(tǒng)——總線電壓的選取及電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.產(chǎn)業(yè)技術(shù)，2008（9）：84－85.

［3］石 瓊，劉舒帆，婁樸根，等.新型智能節(jié)能建筑采暖及計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（1）：149－151.

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Realization of an Less Power Electric Power System on BUS

SHI Qiong， LI Mo－fa， CHEN Wen－ming，SONG Yun－xiong
（Hunan Electrical College of Technology，Xiangtan 411101，China）

In view of the advantage of low cost by using Bus space power supply，aproject of less power electrical source system on communication BUS and single－phase PWM is presented.The system frame and design elements are introduced.The hardware and software about the less power electrical source system on BUS are particularly expatiated，and the function of system is analyzed and tested.The practice shows that the system has higher efficiency and stability，and has great signification for research and development of the BUS technology with less power node.

communication space；bus power supply；less power electrical source；PWM

TN86

A

1671－119X（2014）02－0017－03

2014－01－12

石 瓊（1982－）男，碩士研究生，講師，研究方向：智能系統(tǒng).