石 瓊，李謨發(fā)，陳文明，宋運雄

（湖南電氣職業(yè)技術學院，湘潭 411101）

基于總線的小功率供電系統(tǒng)研究與實現

石 瓊，李謨發(fā)，陳文明，宋運雄

（湖南電氣職業(yè)技術學院，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)的設計方案.介紹了系統(tǒng)總體結構、設計原理，詳細闡述了實現總線小功率供電的軟硬件，并分析和測試了系統(tǒng)功能.實踐證明該系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)點，對于小功率節(jié)點的總線技術的研究和發(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：一種是獨立雙電源線的UPS集中供電方式；另一種是采用獨立220V家用交流電本地轉換成穩(wěn)定直流源的方式.系統(tǒng)安裝時，前者需要獨立布兩根電源線而導致工作量大，成本增加，后者每個節(jié)點需要一個AC／DC電源轉換模塊，成本也會急劇增加.

隨著對總線供電的研究的不斷深入，出現了單總線通訊／供電技術、以太網冗余的POE供電技術、XY－CN的總線供電技術等研究成果.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

協調好總線上通訊與供電之間的工作是保證系統(tǒng)正常運行的關鍵.總線電源的設計思路是：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)送一驅動能力足夠大的連續(xù)脈沖電源信號，小功耗節(jié)點在總線供電期間通過電容存儲足夠的電量，解決自身在一個通訊／供電周期內的用電需求.總線電源系統(tǒng)由控制中心的供電部分和小功耗節(jié)點的取電部分兩大部分構成.其結構原理圖如圖1所示.

圖1 總線電源結構原理

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

取電部分的K3、K4是一對具有足夠驅動能力的總線電壓同步控制電子開關對，當總線電壓高于一定值時，K3、K4自動閉合，可以為取電工作的用節(jié)點提供足夠的電量，電容C1在總線供電期間存儲足夠的電量，經電壓調理電路調理后供后續(xù)電路工作.

在總線通訊空隙，MCU產生一路PWM信號，控制電子開關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PWM電源信號，該信號自動控制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，實現了PWM控制的總線供電.通過調整連續(xù)脈沖電源信號的占空比和周期，可以調整總線的電流和用戶端電容存儲的電量，使之達到最佳，所謂的最佳是指總線供電電流最小，用戶端電容存儲的電量恰當.

2 硬件電路設計

為了驗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計的對象，分供電電路和取電電路兩部分進行了硬件電路設計，并做了參數的理論計算推導.

2.1 供電電路設計

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現總線供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關鍵.為了提高總線供電能力，降低總線供電平均功率，系統(tǒng)設計成單相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保護電路兩部分構成.

供電電路用來產生一個0～12V變化的PWM波.在485通訊間隙，MCU產生一個單相的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端得到一個電壓為0～12V變化的PWM波，總線485－A線動態(tài)連接到了電源正端.同時，Q2管在供電期間隨12V的PWM波的高低變化而自動通斷，總線485－B線動態(tài)連接到了電源負端，確保了數據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，實現了總線供電功能.

圖2 供電電路

短路自動保護電路用于線路供電短路保護.當總線485－A、485－B線出現短路情況時，485－B線被連接到12V電源＋正端，可恢復性保險將因通過的電流過大而熔斷，R2、R3、穩(wěn)壓二極管D3產生一個3V的高電平，MCU識別該高電平，馬上中斷供電，達到快速保護總線安全的目的.

2.2 取電電路設計

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

圖3 取電電路

當總線485－A線上的電壓高于7V（4.7＋2.3 V）時，三級管Q1導通，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總線通訊造成影響；二是電容充電時限流.

2.3 供電參數計算

假設單個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主循環(huán)時間（一次通訊時間＋一次供電時間）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數n，則n個終端需要消耗的總能量為

假設總線供電最大平均功率為P，一個供電周期時長為T2，則同一段總線總供給能量為

根據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)點積（單個節(jié)點電流以及可驅動的節(jié)點數n）之間的關系為

考慮到系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠的需要，程序設計總線供電持續(xù)時間T2等于一次通訊時間，所以一個主循環(huán)時間T1＝2 T2.假設通訊與供電控制器電量到節(jié)點電量的傳輸效率η等于50%，各個節(jié)點工作電壓均為3.3V，工作電流均為Ii，則

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

由（4）（5）式知，當設計的總線電源硬件電路的U、IK1K2、Ii一定時，PWM 控制脈沖的占空比τ／T可決定總線電源的可驅動節(jié)點個數.

3 實驗結果分析

將設計的總線小功率電源系統(tǒng)運行于我校新建的校辦公大樓485總線的溫濕度智能監(jiān)測系統(tǒng)中，使用100M數字示波器測試了該系統(tǒng)的總線數據／供電波形和任意一個終端工作電壓波形，分別如圖4、圖5所示.

圖4 總線數據／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數據波形.從兩種波形的時間間隔上可以看出：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行.根據圖5顯示的波形數據，可以計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)定運行.

4 結束語

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

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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).