基于总线的小功率供电系统研究与实现

石 琼，李谟发，陈文明，宋运雄

（湖南电气职业技术学院，湘潭 411101）

基于总线的小功率供电系统研究与实现

石 琼，李谟发，陈文明，宋运雄

（湖南电气职业技术学院，湘潭 411101）

鉴于采用总线通讯间隙供电的方式可以有效降低布线成本，提出了一种基于通讯总线和单相PWM的小功率电源系统的设计方案.介绍了系统总体结构、设计原理，详细阐述了实现总线小功率供电的软硬件，并分析和测试了系统功能.实践证明该系统具有高效、稳定等优点，对于小功率节点的总线技术的研究和发展具有一定意义.

通讯间隙；总线供电；小功率电源；PWM

基于总线工作的系统供电一般采用两种方式：一种是独立双电源线的UPS集中供电方式；另一种是采用独立220V家用交流电本地转换成稳定直流源的方式.系统安装时，前者需要独立布两根电源线而导致工作量大，成本增加，后者每个节点需要一个AC／DC电源转换模块，成本也会急剧增加.

随着对总线供电的研究的不断深入，出现了单总线通讯／供电技术、以太网冗余的POE供电技术、XY－CN的总线供电技术等研究成果.基于这些研究，作者研制了一种基于通讯总线和单相PWM供电技术的小功率电源系统，用以解决小功率工作的总线系统的供电问题.

1 总线电源原理

协调好总线上通讯与供电之间的工作是保证系统正常运行的关键.总线电源的设计思路是：在总线通讯间隙，通过控制中心采用PWM控制的方式向用户端发送一驱动能力足够大的连续脉冲电源信号，小功耗节点在总线供电期间通过电容存储足够的电量，解决自身在一个通讯／供电周期内的用电需求.总线电源系统由控制中心的供电部分和小功耗节点的取电部分两大部分构成.其结构原理图如图1所示.

图1 总线电源结构原理

供电部分的K1、K2是一对PWM同步控制的电子开关对，它们具有足够的驱动能力，可以为总线供电提供足够的电流；D1、D2为稳压管，防止总线电压瞬时过高，保护总线线路以及总线收发器.

取电部分的K3、K4是一对具有足够驱动能力的总线电压同步控制电子开关对，当总线电压高于一定值时，K3、K4自动闭合，可以为取电工作的用节点提供足够的电量，电容C1在总线供电期间存储足够的电量，经电压调理电路调理后供后续电路工作.

在总线通讯空隙，MCU产生一路PWM信号，控制电子开关K1、K2启闭，直流电压源连接到双总线的两端，总线上将得到一个PWM电源信号，该信号自动控制K3、K4的启闭，电容C1间断接入控制部分直流电压源的两端，形成闭合回路，实现了PWM控制的总线供电.通过调整连续脉冲电源信号的占空比和周期，可以调整总线的电流和用户端电容存储的电量，使之达到最佳，所谓的最佳是指总线供电电流最小，用户端电容存储的电量恰当.

2 硬件电路设计

为了验证总线小功率电源理论的可行性，以最常用的485总线工作方式的温湿度传感器作为硬件电路设计的对象，分供电电路和取电电路两部分进行了硬件电路设计，并做了参数的理论计算推导.

2.1 供电电路设计

采用总线供电的工作系统，总线的上限载有功率与终端需求的能量消耗是一对矛盾.在不超过总线上限载有功率的前提下，尽量提高总线供电能力、降低终端需求的能量消耗是实现总线供电系统稳定工作的关键.为了提高总线供电能力，降低总线供电平均功率，系统设计成单相PWM控制的供电方式.具体供电电路如图2所示.供电电路由控制电路和短路自动保护电路两部分构成.

供电电路用来产生一个0～12V变化的PWM波.在485通讯间隙，MCU产生一个单相的0～3.3V变化的PWM控制波形，控制光耦TL1的通断，使得Q1管的e端得到一个电压为0～12V变化的PWM波，总线485－A线动态连接到了电源正端.同时，Q2管在供电期间随12V的PWM波的高低变化而自动通断，总线485－B线动态连接到了电源负端，确保了数据采集终端连接到了通讯与供电控制器12V电源的闭合回路中，实现了总线供电功能.

图2 供电电路

短路自动保护电路用于线路供电短路保护.当总线485－A、485－B线出现短路情况时，485－B线被连接到12V电源＋正端，可恢复性保险将因通过的电流过大而熔断，R2、R3、稳压二极管D3产生一个3V的高电平，MCU识别该高电平，马上中断供电，达到快速保护总线安全的目的.

2.2 取电电路设计

取电电路需要解决两个问题：一是电量的存储问题；二是取电与485通讯的自动隔离问题.具体电路图如3所示.

图3 取电电路

当总线485－A线上的电压高于7V（4.7＋2.3 V）时，三级管Q1导通，电容C1通过485－A线与485－B线接入通讯与供电控制器12V电源的闭合回路，电容通过二极管D4充电；反之，C1未接入12 V电源的闭合回路，电容仅处于供电状态.图中二极管D4有两重作用：一是确保电容上电压不对总线通讯造成影响；二是电容充电时限流.

2.3 供电参数计算

假设单个温湿度采集终端工作平均电流为Ii，工作电压Ui，通讯与供电控制器一个主循环时间（一次通讯时间＋一次供电时间）为T1，通讯与供电控制器电量到温湿度采集终端电量的传输效率为η，同一段总线上温湿度采集终端个数n，则n个终端需要消耗的总能量为

假设总线供电最大平均功率为P，一个供电周期时长为T2，则同一段总线总供给能量为

根据总供给能量要等于总消耗能量，可得总线供电最大功率P与电流节点积（单个节点电流以及可驱动的节点数n）之间的关系为

考虑到系统工作稳定可靠的需要，程序设计总线供电持续时间T2等于一次通讯时间，所以一个主循环时间T1＝2 T2.假设通讯与供电控制器电量到节点电量的传输效率η等于50%，各个节点工作电压均为3.3V，工作电流均为Ii，则

总线供电最大平均功率P又受总线驱动芯片承受电压，以及K1、K2的可驱动电流制约.假设驱动芯片最大承受电压为U（总线供电端电源电压），K1、K2可驱动最大电流为IK1K2，PWM控制脉冲的占空比为τ／T，则最大功率P与τ／T的关系为

由（4）（5）式知，当设计的总线电源硬件电路的U、IK1K2、Ii一定时，PWM 控制脉冲的占空比τ／T可决定总线电源的可驱动节点个数.

3 实验结果分析

将设计的总线小功率电源系统运行于我校新建的校办公大楼485总线的温湿度智能监测系统中，使用100M数字示波器测试了该系统的总线数据／供电波形和任意一个终端工作电压波形，分别如图4、图5所示.

图4 总线数据／供电波形

图5 终端工作电压波形

图4中波形幅度变化较大的部分为供电周期总线上的连续脉冲波形，幅度波形变化较小的部分为通讯周期总线上的485数据波形.从两种波形的时间间隔上可以看出：供电连续脉冲波形和通讯波形相互充分隔离，供电脉冲可以在总线上安全地运行.根据图5显示的波形数据，可以计算终端工作电压纹波小于6mV，满足电源纹波小的要求，说明总线供电可以保证终端可靠、稳定运行.

4 结束语

利用总线的通讯间隙，采用单相PWM控制的总线供电技术，通过控制器对各采集点集中供电的方法，具有低成本、通讯可靠、不需分散供电或单独布系统电源线等优点.本文重点分析了基于总线的PWM供电方式的电路结构，并给出了关键参数选择的理论计算.总线的PWM总线供电技术的研究对现有建筑的温湿度管理的工程改造将带来巨大的价值，也对低功耗的总线工作方式的系统具有一定指导意义.

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［3］石 琼，刘舒帆，娄朴根，等.新型智能节能建筑采暖及计量系统的设计［J］.计算机系统应用，2010，19（1）：149－151.

［4］贺同见，华泽玺.基于低压电力线载波通信的温湿度监测系统［J］.仪表技术与传感器，2010，（12）：50－52，65.

［5］苏 镇，叶晓慧，叶 婧.关于通过单总线供电技术的研究［J］.通信电源技术，2004，21（4）：28－30.

［6］辛晓宁，汪 滢，于海斌.总线供电的FF现场总线仪表通讯圆卡硬件设计要点［J］.仪表技术与传感器，2003（2）：43－45.

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 琼（1982－）男，硕士研究生，讲师，研究方向：智能系统.