一種高性能的寄生供電方法

房淼森

摘 要： 對(duì)傳統(tǒng)的寄生供電技術(shù)加以改進(jìn)，提出一種高性能的寄生供電方法，將寄生供電能力從微安量級(jí)提升至毫安量級(jí)。這種高性能的寄生供電方法可以在高要求的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面得到應(yīng)用，使得寄生供電技術(shù)擁有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，該方法已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利，申請(qǐng)?zhí)枮?01410123946.7。

關(guān)鍵詞： 寄生供電； 受控上拉； 串行通信； 1?Wire

中圖分類號(hào)： TN911.7?34；TM 930.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0066?03

A method of high?performance parasitic power supply

FANG Miao?sen

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212000， China）

Abstract： The traditional parasitic power supply technology was improved. A method of high?performance parasite power supply is proposed， which makes the parasitic power supply capacity increased from microampere magnitude to milliampere one. This high?performance parasitic power supply method can be used in the situation like demanding data acquisition， real?time monitoring， etc. It can make parasitic power supply technology has a wider application. The national patent has been applied for this method， whose application number is 201410123946.7.

Keywords： parasitic power supply； controlled pull?up； serial communication； 1?Wire

0 引 言

寄生供電是一種利用主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)線對(duì)從設(shè)備進(jìn)行供電的方式，即連接主從設(shè)備的數(shù)據(jù)線既是數(shù)據(jù)信息傳送的通道， 也是從設(shè)備獲得電源能量的通道[1]。寄生供電通常出現(xiàn)在串行通信的過(guò)程中，如由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司提出的1?Wire[2?3]串行通信總線。寄生供電已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到一定應(yīng)用，如采用可以在寄生供電方式下工作的數(shù)字式單總線溫度傳感器DS18B20?PAR[4]構(gòu)成的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)采用寄生供電時(shí)，從設(shè)備直接從數(shù)據(jù)線獲取電源，因此從設(shè)備無(wú)需額外的本地電源配置，減少了從設(shè)備外圍器件，從而降低了系統(tǒng)成本；同時(shí)，系統(tǒng)連線減少，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，增加新的從設(shè)備。

通常的寄生供電方法供電能力有限，僅能提供微安量級(jí)的負(fù)載電流，如1?Wire協(xié)議中規(guī)定為每個(gè)通過(guò)寄生供電方式工作的從設(shè)備提供5 μA的電流，無(wú)法在使用寄生供電的從設(shè)備中擴(kuò)展A/D，微控制器等單元。因此，在實(shí)時(shí)監(jiān)控及實(shí)時(shí)信號(hào)采集等方面，特別是在某些需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或其他高電源容量需求的從設(shè)備中，寄生供電并未得到廣泛應(yīng)用。提出了一種高性能的寄生供電方法，可以在不影響總線正常通信的前提下大大提高寄生電源的供電能力，為使用寄生供電的從設(shè)備提供毫安量級(jí)的負(fù)載電流。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)寄生供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在寄生供電系統(tǒng)中，從設(shè)備獲得的電源容量很大程度上取決于上拉電阻的阻值大小。在目前的應(yīng)用中，主設(shè)備與從設(shè)備之間主要采用直接連接方式[5]，并且在上拉電路部分單獨(dú)添加控制端口，采用臨時(shí)性強(qiáng)上拉為從設(shè)備供電，如圖1所示。

系統(tǒng)采用臨時(shí)性強(qiáng)上拉措施可以直接解決從設(shè)備在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或其他高功耗操作需要的供電問(wèn)題，卻增加了系統(tǒng)的I/O口線，并且主從設(shè)備在強(qiáng)上拉期間無(wú)法改變通信數(shù)據(jù)線的電平，影響系統(tǒng)通信。

1.2 改進(jìn)后的寄生供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文對(duì)目前的的寄生供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，如圖2所示。在主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)線上擴(kuò)展受控上拉電路和寄生供電電路。其原理是受控上拉電路受通信數(shù)據(jù)線上的信號(hào)電平控制，自動(dòng)選擇強(qiáng)上拉或弱上拉電阻值，對(duì)寄生供電電路中的儲(chǔ)能電容充電，從而產(chǎn)生寄生電源，對(duì)從設(shè)備進(jìn)行供電。

1.2.1 受控上拉電路

受控上拉電路由單穩(wěn)態(tài)電路[6]、強(qiáng)上拉開關(guān)管和弱上拉電阻組成，如圖3所示。其中，單穩(wěn)態(tài)電路和強(qiáng)上拉開關(guān)管為受控上拉電路的核心組成部分。其工作原理是當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上電平無(wú)變化時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路工作在穩(wěn)態(tài)，強(qiáng)上拉開關(guān)管截止，受控上拉電路工作在弱上拉狀態(tài)；當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上電平由低電平變成高電平時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路工作在暫態(tài)，強(qiáng)上拉開關(guān)管飽和導(dǎo)通，受控上拉電路工作在強(qiáng)上拉狀態(tài)。

1.2.2 寄生供電電路

寄生供電電路由整流開關(guān)管和儲(chǔ)能電容組成，如圖4所示。其工作原理是當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上為高電平時(shí)，整流開關(guān)管飽和導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容從通信數(shù)據(jù)線上獲取電能進(jìn)行充電；當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上為低電平時(shí)，儲(chǔ)能電容放電，產(chǎn)生寄生電源，為從設(shè)備供電。

1.3 系統(tǒng)工作原理

以下通過(guò)圖例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖5所示。為了方便進(jìn)行分析，在此僅討論簡(jiǎn)單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路。其中，[U1]為通信數(shù)據(jù)線電壓，[U2]為微分型單穩(wěn)態(tài)電路輸出電壓，[U3]為強(qiáng)上拉開關(guān)管輸出電壓，[U4]為儲(chǔ)能電容兩端的電壓。

如圖5（a）所示，在[t1～t2]時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上的電平變高時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路將輸出暫態(tài)，其波形如圖5（b）所示。在單穩(wěn)態(tài)電路輸出暫態(tài)期間，若其輸出電壓大于強(qiáng)上拉開關(guān)管的閾值電壓[7]，強(qiáng)上拉開關(guān)管將飽和導(dǎo)通一定時(shí)間，其波形圖如圖5（c）所示。由于本例采用簡(jiǎn)單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路，無(wú)需采用復(fù)雜的單穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)受控上拉電路工作在強(qiáng)上拉狀態(tài)期間，通信數(shù)據(jù)線上的高電平將控制寄生供電電路中的整流開關(guān)管導(dǎo)通，此時(shí)，主電源通過(guò)強(qiáng)上拉開關(guān)管和整流開關(guān)管對(duì)儲(chǔ)能電容充電，儲(chǔ)能電容兩端的電壓如圖5（d）所示。由于開關(guān)管導(dǎo)通電阻很低，因此，可以對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行短時(shí)間快速充電而補(bǔ)充電能，同時(shí)也保證了通信信號(hào)的穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)閷?duì)電容充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起數(shù)據(jù)脈沖畸變而干擾主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。此外，為了使從設(shè)備有足夠的電能，進(jìn)行不間斷工作，需根據(jù)通信協(xié)議以及從設(shè)備的負(fù)載選擇合適的儲(chǔ)能電容。

3 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)要能夠正常工作，必須滿足一定的條件，下面以UART通信協(xié)議[8]為例。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，考慮一個(gè)極端的通信周期，即10位傳送方式中只有停止位是高電平。在此條件下，儲(chǔ)能電容在一個(gè)通信周期中只可補(bǔ)充一次電量，充放電的過(guò)程如圖6所示。

下面給出一種該電路主要參數(shù)的計(jì)算方法：

（1） 確定單穩(wěn)態(tài)輸出的暫態(tài)時(shí)間[tp。]在0～[tp]時(shí)間段內(nèi)，電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)；為了避免因強(qiáng)上拉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致主、從設(shè)備發(fā)送器無(wú)法拉低總線電平，引起通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，[tp]必須小于等于通信過(guò)程中一位數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間；考慮到雙方通信波特率[9]存在誤差以及單穩(wěn)態(tài)電路中RC參數(shù)存在離散性，設(shè)通信波特率為[S，]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，在保證通信數(shù)據(jù)可靠的前提下應(yīng)使得下式成立：

[tp=0.8×1S] （1）

（2） 考慮儲(chǔ)能電容容量。在[0～tp]時(shí)間段內(nèi)，電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)時(shí)，應(yīng)完成對(duì)儲(chǔ)能電容快速充電。設(shè)從設(shè)備允許的供電電壓誤差最大為額定供電電壓的[K]倍，儲(chǔ)能電容為[C儲(chǔ)，]充電回路的時(shí)間常數(shù)為[τ充，]則電容在[0～tp]時(shí)間段內(nèi)從[KVpp]充電到[Vpp，]此處可以忽略弱上拉電阻對(duì)充電的影響。根據(jù)電容充電[10]的公式可得到儲(chǔ)能電容兩端電壓滿足的關(guān)系式：

[U儲(chǔ)=KVpp+（Vpp-KVpp）（1-e-tpτ充）] （2）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，[K]通常為0.9，取[tp=2τ充，]代入上述公式，儲(chǔ)能電容兩端電壓可達(dá)電源的98.6%以上，基本可以認(rèn)為充滿。根據(jù)公式（1）和（2）進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到儲(chǔ)能電容取值關(guān)系式：

[C儲(chǔ)=25R充S] （3）

其中，[R充]為主電源對(duì)儲(chǔ)能電容充電線路的阻抗，包括強(qiáng)上拉開關(guān)管、整流開關(guān)管和導(dǎo)線電阻。

（3） 計(jì)算電路的負(fù)載能力。對(duì)于放電過(guò)程，假設(shè)負(fù)載為恒流放電，故在[tp～tq]時(shí)間段內(nèi)，電容放電為一直線從[Vpp]恒流放電到[KVpp，]放電曲線如圖5所示。設(shè)負(fù)載電流為[I，]根據(jù)電容恒流放電公式可得到儲(chǔ)能電容在放電過(guò)程中滿足的關(guān)系式：

[KVpp=Vpp-IC儲(chǔ)（tq-tp）] （4）

此處分析可知，[tq]實(shí)際上與通信波特率[S]有關(guān)，當(dāng)采用上述10位UART傳送并處于極端數(shù)據(jù)傳送周期情況時(shí)，有：

[tq=10S] （5）

通過(guò)公式（4）和（5），最終可得以下關(guān)系式：

[I=（1-K）VppC儲(chǔ)10S-τ充=（1-K）Vpp23R充] （6）

通常，設(shè)備供電電壓允許的最大誤差為10%，而電容充滿的電壓約為主電源電壓，通常為5 V；另外，如選擇合適型號(hào)的MOS管作為強(qiáng)上拉開關(guān)管和整流開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻很容易控制在毫歐量級(jí)，可以忽略不計(jì)，因此充電回路的阻抗[R充]即為通信線路的導(dǎo)線電阻，若采用工程中常用的75?7同軸電纜，100 m的線阻約為0.8 Ω。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），可得到通過(guò)該寄生供電方法對(duì)從設(shè)備供電，在上述極限通信情況下能達(dá)到的最大負(fù)載電流約為25 mA。若從設(shè)備采用接觸式寄生供電或從設(shè)備本身采用低壓供電，通過(guò)穩(wěn)壓器件[11]，負(fù)載電流還能成倍增加，足以滿足大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文得益于受控上拉電路和寄生供電電路的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)在受控上拉電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)寄生供電電路中儲(chǔ)能電容進(jìn)行低阻抗的快速充電；儲(chǔ)能電容的取值可以適當(dāng)增大，以提高寄生電源的負(fù)載能力，并降低電源的紋波系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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如圖5（a）所示，在[t1～t2]時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上的電平變高時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路將輸出暫態(tài)，其波形如圖5（b）所示。在單穩(wěn)態(tài)電路輸出暫態(tài)期間，若其輸出電壓大于強(qiáng)上拉開關(guān)管的閾值電壓[7]，強(qiáng)上拉開關(guān)管將飽和導(dǎo)通一定時(shí)間，其波形圖如圖5（c）所示。由于本例采用簡(jiǎn)單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路，無(wú)需采用復(fù)雜的單穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)受控上拉電路工作在強(qiáng)上拉狀態(tài)期間，通信數(shù)據(jù)線上的高電平將控制寄生供電電路中的整流開關(guān)管導(dǎo)通，此時(shí)，主電源通過(guò)強(qiáng)上拉開關(guān)管和整流開關(guān)管對(duì)儲(chǔ)能電容充電，儲(chǔ)能電容兩端的電壓如圖5（d）所示。由于開關(guān)管導(dǎo)通電阻很低，因此，可以對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行短時(shí)間快速充電而補(bǔ)充電能，同時(shí)也保證了通信信號(hào)的穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)閷?duì)電容充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起數(shù)據(jù)脈沖畸變而干擾主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。此外，為了使從設(shè)備有足夠的電能，進(jìn)行不間斷工作，需根據(jù)通信協(xié)議以及從設(shè)備的負(fù)載選擇合適的儲(chǔ)能電容。

3 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)要能夠正常工作，必須滿足一定的條件，下面以UART通信協(xié)議[8]為例。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，考慮一個(gè)極端的通信周期，即10位傳送方式中只有停止位是高電平。在此條件下，儲(chǔ)能電容在一個(gè)通信周期中只可補(bǔ)充一次電量，充放電的過(guò)程如圖6所示。

下面給出一種該電路主要參數(shù)的計(jì)算方法：

（1） 確定單穩(wěn)態(tài)輸出的暫態(tài)時(shí)間[tp。]在0～[tp]時(shí)間段內(nèi)，電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)；為了避免因強(qiáng)上拉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致主、從設(shè)備發(fā)送器無(wú)法拉低總線電平，引起通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，[tp]必須小于等于通信過(guò)程中一位數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間；考慮到雙方通信波特率[9]存在誤差以及單穩(wěn)態(tài)電路中RC參數(shù)存在離散性，設(shè)通信波特率為[S，]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，在保證通信數(shù)據(jù)可靠的前提下應(yīng)使得下式成立：

[tp=0.8×1S] （1）

（2） 考慮儲(chǔ)能電容容量。在[0～tp]時(shí)間段內(nèi)，電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)時(shí)，應(yīng)完成對(duì)儲(chǔ)能電容快速充電。設(shè)從設(shè)備允許的供電電壓誤差最大為額定供電電壓的[K]倍，儲(chǔ)能電容為[C儲(chǔ)，]充電回路的時(shí)間常數(shù)為[τ充，]則電容在[0～tp]時(shí)間段內(nèi)從[KVpp]充電到[Vpp，]此處可以忽略弱上拉電阻對(duì)充電的影響。根據(jù)電容充電[10]的公式可得到儲(chǔ)能電容兩端電壓滿足的關(guān)系式：

[U儲(chǔ)=KVpp+（Vpp-KVpp）（1-e-tpτ充）] （2）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，[K]通常為0.9，取[tp=2τ充，]代入上述公式，儲(chǔ)能電容兩端電壓可達(dá)電源的98.6%以上，基本可以認(rèn)為充滿。根據(jù)公式（1）和（2）進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到儲(chǔ)能電容取值關(guān)系式：

[C儲(chǔ)=25R充S] （3）

其中，[R充]為主電源對(duì)儲(chǔ)能電容充電線路的阻抗，包括強(qiáng)上拉開關(guān)管、整流開關(guān)管和導(dǎo)線電阻。

（3） 計(jì)算電路的負(fù)載能力。對(duì)于放電過(guò)程，假設(shè)負(fù)載為恒流放電，故在[tp～tq]時(shí)間段內(nèi)，電容放電為一直線從[Vpp]恒流放電到[KVpp，]放電曲線如圖5所示。設(shè)負(fù)載電流為[I，]根據(jù)電容恒流放電公式可得到儲(chǔ)能電容在放電過(guò)程中滿足的關(guān)系式：

[KVpp=Vpp-IC儲(chǔ)（tq-tp）] （4）

此處分析可知，[tq]實(shí)際上與通信波特率[S]有關(guān)，當(dāng)采用上述10位UART傳送并處于極端數(shù)據(jù)傳送周期情況時(shí)，有：

[tq=10S] （5）

通過(guò)公式（4）和（5），最終可得以下關(guān)系式：

[I=（1-K）VppC儲(chǔ)10S-τ充=（1-K）Vpp23R充] （6）

通常，設(shè)備供電電壓允許的最大誤差為10%，而電容充滿的電壓約為主電源電壓，通常為5 V；另外，如選擇合適型號(hào)的MOS管作為強(qiáng)上拉開關(guān)管和整流開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻很容易控制在毫歐量級(jí)，可以忽略不計(jì)，因此充電回路的阻抗[R充]即為通信線路的導(dǎo)線電阻，若采用工程中常用的75?7同軸電纜，100 m的線阻約為0.8 Ω。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），可得到通過(guò)該寄生供電方法對(duì)從設(shè)備供電，在上述極限通信情況下能達(dá)到的最大負(fù)載電流約為25 mA。若從設(shè)備采用接觸式寄生供電或從設(shè)備本身采用低壓供電，通過(guò)穩(wěn)壓器件[11]，負(fù)載電流還能成倍增加，足以滿足大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文得益于受控上拉電路和寄生供電電路的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)在受控上拉電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)寄生供電電路中儲(chǔ)能電容進(jìn)行低阻抗的快速充電；儲(chǔ)能電容的取值可以適當(dāng)增大，以提高寄生電源的負(fù)載能力，并降低電源的紋波系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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如圖5（a）所示，在[t1～t2]時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)通信數(shù)據(jù)線上的電平變高時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路將輸出暫態(tài)，其波形如圖5（b）所示。在單穩(wěn)態(tài)電路輸出暫態(tài)期間，若其輸出電壓大于強(qiáng)上拉開關(guān)管的閾值電壓[7]，強(qiáng)上拉開關(guān)管將飽和導(dǎo)通一定時(shí)間，其波形圖如圖5（c）所示。由于本例采用簡(jiǎn)單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路，無(wú)需采用復(fù)雜的單穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)受控上拉電路工作在強(qiáng)上拉狀態(tài)期間，通信數(shù)據(jù)線上的高電平將控制寄生供電電路中的整流開關(guān)管導(dǎo)通，此時(shí)，主電源通過(guò)強(qiáng)上拉開關(guān)管和整流開關(guān)管對(duì)儲(chǔ)能電容充電，儲(chǔ)能電容兩端的電壓如圖5（d）所示。由于開關(guān)管導(dǎo)通電阻很低，因此，可以對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行短時(shí)間快速充電而補(bǔ)充電能，同時(shí)也保證了通信信號(hào)的穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)閷?duì)電容充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起數(shù)據(jù)脈沖畸變而干擾主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。此外，為了使從設(shè)備有足夠的電能，進(jìn)行不間斷工作，需根據(jù)通信協(xié)議以及從設(shè)備的負(fù)載選擇合適的儲(chǔ)能電容。

3 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)要能夠正常工作，必須滿足一定的條件，下面以UART通信協(xié)議[8]為例。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，考慮一個(gè)極端的通信周期，即10位傳送方式中只有停止位是高電平。在此條件下，儲(chǔ)能電容在一個(gè)通信周期中只可補(bǔ)充一次電量，充放電的過(guò)程如圖6所示。

下面給出一種該電路主要參數(shù)的計(jì)算方法：

（1） 確定單穩(wěn)態(tài)輸出的暫態(tài)時(shí)間[tp。]在0～[tp]時(shí)間段內(nèi)，電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)；為了避免因強(qiáng)上拉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致主、從設(shè)備發(fā)送器無(wú)法拉低總線電平，引起通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，[tp]必須小于等于通信過(guò)程中一位數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間；考慮到雙方通信波特率[9]存在誤差以及單穩(wěn)態(tài)電路中RC參數(shù)存在離散性，設(shè)通信波特率為[S，]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，在保證通信數(shù)據(jù)可靠的前提下應(yīng)使得下式成立：

[tp=0.8×1S] （1）

（2） 考慮儲(chǔ)能電容容量。在[0～tp]時(shí)間段內(nèi)，電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)時(shí)，應(yīng)完成對(duì)儲(chǔ)能電容快速充電。設(shè)從設(shè)備允許的供電電壓誤差最大為額定供電電壓的[K]倍，儲(chǔ)能電容為[C儲(chǔ)，]充電回路的時(shí)間常數(shù)為[τ充，]則電容在[0～tp]時(shí)間段內(nèi)從[KVpp]充電到[Vpp，]此處可以忽略弱上拉電阻對(duì)充電的影響。根據(jù)電容充電[10]的公式可得到儲(chǔ)能電容兩端電壓滿足的關(guān)系式：

[U儲(chǔ)=KVpp+（Vpp-KVpp）（1-e-tpτ充）] （2）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，[K]通常為0.9，取[tp=2τ充，]代入上述公式，儲(chǔ)能電容兩端電壓可達(dá)電源的98.6%以上，基本可以認(rèn)為充滿。根據(jù)公式（1）和（2）進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到儲(chǔ)能電容取值關(guān)系式：

[C儲(chǔ)=25R充S] （3）

其中，[R充]為主電源對(duì)儲(chǔ)能電容充電線路的阻抗，包括強(qiáng)上拉開關(guān)管、整流開關(guān)管和導(dǎo)線電阻。

（3） 計(jì)算電路的負(fù)載能力。對(duì)于放電過(guò)程，假設(shè)負(fù)載為恒流放電，故在[tp～tq]時(shí)間段內(nèi)，電容放電為一直線從[Vpp]恒流放電到[KVpp，]放電曲線如圖5所示。設(shè)負(fù)載電流為[I，]根據(jù)電容恒流放電公式可得到儲(chǔ)能電容在放電過(guò)程中滿足的關(guān)系式：

[KVpp=Vpp-IC儲(chǔ)（tq-tp）] （4）

此處分析可知，[tq]實(shí)際上與通信波特率[S]有關(guān)，當(dāng)采用上述10位UART傳送并處于極端數(shù)據(jù)傳送周期情況時(shí)，有：

[tq=10S] （5）

通過(guò)公式（4）和（5），最終可得以下關(guān)系式：

[I=（1-K）VppC儲(chǔ)10S-τ充=（1-K）Vpp23R充] （6）

通常，設(shè)備供電電壓允許的最大誤差為10%，而電容充滿的電壓約為主電源電壓，通常為5 V；另外，如選擇合適型號(hào)的MOS管作為強(qiáng)上拉開關(guān)管和整流開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻很容易控制在毫歐量級(jí)，可以忽略不計(jì)，因此充電回路的阻抗[R充]即為通信線路的導(dǎo)線電阻，若采用工程中常用的75?7同軸電纜，100 m的線阻約為0.8 Ω。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），可得到通過(guò)該寄生供電方法對(duì)從設(shè)備供電，在上述極限通信情況下能達(dá)到的最大負(fù)載電流約為25 mA。若從設(shè)備采用接觸式寄生供電或從設(shè)備本身采用低壓供電，通過(guò)穩(wěn)壓器件[11]，負(fù)載電流還能成倍增加，足以滿足大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文得益于受控上拉電路和寄生供電電路的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)在受控上拉電路處于強(qiáng)上拉狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)寄生供電電路中儲(chǔ)能電容進(jìn)行低阻抗的快速充電；儲(chǔ)能電容的取值可以適當(dāng)增大，以提高寄生電源的負(fù)載能力，并降低電源的紋波系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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