CN104283587B - 一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统，该系统使主机采用对称的全桥结构，大大抑制了对外的共模干扰问题，并且在主机与总线连接处增加了共模扼流圈，从而进一步减小了共模电流，因此该系统可用于大功率场合以及智能家居、周界报警等分布式控制系统中，将供电与通信相结合；相较于传统的RS485、CAN等现场总线结构，大大减少了布线量，从而降低了布线成本和维护难度，并且增加了整个系统的可靠性。相较于其他功率/数据复合传输系统，本发明所提出的系统几乎不会对外辐射共模干扰，因而不会影响其他设备的正常工作。
Description
技术领域
本发明属于现场总线和分布式控制技术领域，具体涉及一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统。
背景技术
在工业控制、智能楼宇、智能家居、设备监控、分布式能源管理系统等领域，现场大量分散的检测点和控制点需要通过总线技术进行互连。总线拓扑与星型拓扑布线相比较，能大大缩短连线的总长度并具有很好的扩展性。传统的总线技术如RS485、CAN等，每个通信模块的接口需要两对线：一对电源线和一对数据线。
为了减少连线，可以对电源线和数据线进行复用。常用的功率/数据复合传输可以采用如下几种方式：低压电力线载波通信、采用IEC61158-2标准所规定的总线供电方法、M-bus、1-wirebus等。然而，电力线载波通信电路复杂，不利于模块小型化设计；IEC61158-2总线供电方法、M-bus、1-wirebus等方法存在输出功率较小、负载不能大幅度变化等缺点。
公开号为CN101594171的中国专利公开了一种电源线斩波通讯收发电路，该收发电路包括主机和从机两个部分。主机将数字信号调制成开关脉冲发送到电源线上，并用两种不同宽度的低电平来表示数字信号的0和1，使电源线成为一条电源通信线，从机从电源通信线上接收主机发送的脉冲信号；从机在主机发送高电平时，叠加返回代表0和1信号的低电平，从而完成电源总线上的通信过程。该电路可以大幅提高输出功率，同时具有收发电路简单、稳定性高的优点。但是其没有考虑输出总线对外部的共模干扰问题，在较高电压以及远距离工作情况下，可能对周围环境造成较大的共模干扰问题，影响其他设备的正常工作。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统，能够有效抑制系统对外的共模干扰问题，可适用于大功率场合。
一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统，包括一台主机和多台从机；所述的主机单点接地且主机与各从机通过一对总线连接，主机与从机之间以及从机与从机之间通过所述的总线实现双向通信；系统的每一工作周期包含有非重合的供电时隙和通信时隙，所述的供电时隙内主机向各从机传输能量，所述的通信时隙内主机与从机之间或从机与从机之间进行双向通信。
所述的主机采用对称的桥式拓扑结构，从而使得任何时刻总线的共模电压均为一恒定值，不会对其他设备产生共模干扰。
优选地作为一种实现形式，所述的主机包括控制单元、共模扼流圈、直流源E、两个PMOS管Q1和Q3、两个NMOS管Q2和Q4、两个阻抗网络Z1～Z2以及两个共模抑制电容C1～C2；其中，所述的共模扼流圈由两个线圈L1～L2耦合而成，直流源E的正极与PMOS管Q1和Q3的源极相连，PMOS管Q1的漏极与阻抗网络Z1的一端和线圈L1的同名端相连，PMOS管Q3的漏极与阻抗网络Z2的一端相连，阻抗网络Z1的另一端与NMOS管Q2的漏极相连，阻抗网络Z2的另一端与NMOS管Q4的漏极和线圈L2的同名端相连，直流源E的负极与NMOS管Q2和Q4的源极以及两个共模抑制电容C1～C2的一端相连并接地，线圈L1的异名端与共模抑制电容C2的另一端相连并接对应的总线，线圈L2的异名端与共模抑制电容C1的另一端相连并接对应的总线，PMOS管Q1和Q3以及NMOS管Q2和Q4的栅极均接收控制单元提供的开关信号。
优选地作为另一种实现形式，所述的主机包括控制单元、共模扼流圈、直流源E、四个NMOS管Q1～Q4、两个阻抗网络Z1～Z2、两个二极管D1～D2以及两个共模抑制电容C1～C2；其中，所述的共模扼流圈由两个线圈L1～L2耦合而成，直流源E的正极与NMOS管Q1和Q3的漏极相连，NMOS管Q1的源极与NMOS管Q2的漏极、阻抗网络Z1的一端和二极管D1的阳极相连，NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的漏极、阻抗网络Z2的一端和二极管D2的阴极相连，阻抗网络Z1的另一端与二极管D1的阴极和线圈L1的同名端相连，阻抗网络Z2的另一端与二极管D2的阳极和线圈L2的同名端相连，直流源E的负极与NMOS管Q2和Q4的源极以及两个共模抑制电容C1～C2的一端相连并接地，线圈L1的异名端与共模抑制电容C2的另一端相连并接对应的总线，线圈L2的异名端与共模抑制电容C1的另一端相连并接对应的总线，四个NMOS管Q1～Q4的栅极均接收控制单元提供的开关信号。
在主机与总线连接处增加共模扼流圈，可进一步减小共模电流，从而使得系统可以应用于大功率场合而不至于对外产生严重的共模干扰问题。
作为一种实现形式，所述的从机包括控制单元、二极管D3、PMOS管Q5、三端稳压源M以及两个滤波电容C3～C4；其中，PMOS管Q5的漏极与二极管D3的阳极相连并接对应的总线，PMOS管Q5的源极与二极管D3的阴极、滤波电容C3的一端和三端稳压源M的输入端相连，滤波电容C3的另一端与三端稳压源M的接地端和滤波电容C4的一端相连并接对应的总线，三端稳压源M的输出端与滤波电容C4的另一端相连，滤波电容C4两端并联负载，PMOS管Q5的栅极接收控制单元提供的开关信号。
优选地作为另一种实现形式，所述的从机包括控制单元、四个NMOS管Q5～Q8、三端稳压源M以及两个滤波电容C3～C4；其中，NMOS管Q5和Q7的漏极与滤波电容C3的一端和三端稳压源M的输入端相连，NMOS管Q5的源极与NMOS管Q6的漏极相连并接对应的总线，NMOS管Q7的源极与NMOS管Q8的漏极相连并接对应的总线，NMOS管Q6和Q8的源极与滤波电容C3的另一端、三端稳压源M的接地端和滤波电容C4的一端相连，三端稳压源M的输出端与滤波电容C4的另一端相连，滤波电容C4两端并联负载，四个NMOS管Q5～Q8的栅极均接收控制单元提供的开关信号。
优选地作为另一种实现形式，所述的从机包括控制单元、五个二极管D4～D8、NMOS管Q5、三端稳压源M以及两个滤波电容C3～C4；其中，二极管D5和D7的阴极与二极管D4的阳极和NMOS管Q5的漏极相连，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极相连并接对应的总线，二极管D7的阳极与二极管D8的阴极相连并接对应的总线，二极管D4的阴极与滤波电容C3的一端和三端稳压源M的输入端相连，二极管D6和D8的阳极与NMOS管Q5的源极、滤波电容C3的另一端、三端稳压源M的接地端和滤波电容C4的一端相连，三端稳压源M的输出端与滤波电容C4的另一端相连，滤波电容C4两端并联负载，NMOS管Q5的栅极接收控制单元提供的开关信号。
上述两种从机拓扑结构可用于无极性接插，在对整个系统进行扩展，即增加从机数量时，无需对两根总线的极性进行判断，直接将从机按任意极性挂接在总线上即可，从而为系统的装配与扩展提供了极大的便利，对安装人员的技术要求也大大降低。
本发明系统使主机采用对称的全桥结构，大大抑制了对外的共模干扰问题，并且在主机与总线连接处增加了共模扼流圈，从而进一步减小了共模电流，因此该系统可用于大功率场合以及智能家居、周界报警等分布式控制系统中，将供电与通信相结合；相较于传统的RS485、CAN等现场总线结构，大大减少了布线量，从而降低了布线成本和维护难度，并且增加了整个系统的可靠性。相较于其他功率/数据复合传输系统，本发明所提出的系统几乎不会对外辐射共模干扰，因而不会影响其他设备的正常工作。
附图说明
图1为能量与信息时分复合传输系统的结构示意图。
图2为能量与信息时分复合传输系统的工作时序图。
图3为本发明主机电路的第一种结构示意图。
图4为本发明主机电路的第二种结构示意图。
图5为本发明从机电路的第一种结构示意图。
图6为本发明从机电路的第二种结构示意图。
图7为本发明从机电路的第三种结构示意图。
图8为本发明主机电路驱动信号的波形时序图。
图9为阻抗网络的结构示意图。
图10为本发明系统总线共模电压的测试波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统，包括一台主机和N台从机；主机单点接地且主机与各从机通过一对总线连接，主机与从机之间以及从机与从机之间通过总线实现双向通信；如图2所示，系统的每一工作周期包含有非重合的供电时隙Tp和通信时隙Ts，供电时隙内主机向各从机传输能量，通信时隙内主机与从机之间或从机与从机之间进行双向通信。主机采用对称的桥式拓扑结构，从而使得任何时刻总线的共模电压均为一恒定值即uA+uB＝常数，uA，uB分别为总线输出A、B两端相对于大地的电压。
作为一种实施方式，主机电路如图3所示，包括直流电源E，P沟道MOSFET开关管Q1、Q3、N沟道MOSFET开关管Q2、Q4，阻抗网络Z1、Z2，共模扼流圈L，共模抑制电容C1、C2，总线输出端子P1。Z1与Z2、C1与C2的参数完全一致。其连接方式为：电源E的正端与Q1、Q3的源极相连，E的负端与Q2、Q4的源极相连，并接地，Q1的漏极与Z1的一端、以及L的a线圈的同名端相连，Q2的漏极与Z1的另一端相连，Q3的漏极与Z2的一端相连，Q4的漏极与Z1的另一端相连、以及L的b线圈的同名端相连。共模扼流圈L的a线圈非同名端与C2的一端相连并接至总线输出端子的1脚，共模扼流圈L的b线圈非同名端与C1的一端相连并接至总线输出端子的2脚，C1、C2的另一引脚接地。
作为另一种实施方式，主机电路如图4所示，包括直流电源E，N沟道MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4，阻抗网络Z1、Z2，共模扼流圈L，共模抑制电容C1、C2，二极管D1、D2，总线输出端子P1。Z1与Z2、C1与C2、D1与D2的参数完全一致。其连接方式为：电源E的正端与Q1、Q3的源极相连，E的负端与Q2、Q4的源极相连，并接地，Q1、Q2、Q3、Q4构成一个全桥逆变结构，Q1、Q2桥臂输出与Z1的一端、以及D1的阳极相连，Q3、Q4桥臂输出与Z2的一端、以及D2的阴极相连。二极管D1的阴极与Z1的另一端、以及共模扼流圈L的a线圈同名端相连，二极管D2的阳极与Z2的另一端、以及共模扼流圈L的b线圈同名端相连。共模扼流圈L的a线圈非同名端与C2的一端相连并接至总线输出端子的1脚，共模扼流圈L的b线圈的非同名端与C1的一端相连并接至总线输出端子的2脚，C1、C2的另一引脚接地。
上述两种主机电路的实施方式中的阻抗网络Z1、Z2结构如图9所示；在供电时隙，Q1和Q4导通，Q2、Q3关断；在通信时隙，Q2和Q3导通，Q1、Q4关断。Q1与Q4、Q2与Q3的开关控制过程完全同步，如图8所示。当主机对从机发送信息时，以不同的占空比，即以不同的供电时隙的时长表示不同的信号。
作为第一种实施方式，从机电路如图5所示，包括总线输入接线端子P2，P沟道MOSFET开关管Q5，二极管D3，滤波电容C3、C4，三端稳压源M。其连线方式为：输入端P2的1脚对外通过总线与主机P1端子的1脚相连，内部与二极管D3的阳极、Q5的漏极相连，二极管D3的阴极与Q5的源极、C3的正端、M的输入端相连，输入端P2的2脚对外通过总线与主机P1端子的2脚相连，对内与C3的负极、M的接地端、电容C4的负极相连。该实施方式中，从机与主机的通信通过控制开关管Q5实现，在通信时隙，Q5开通表示发送数据，开通的时长则代表不同的信号。
作为第二种实施方式，从机电路如图6所示，包括总线输入接线端子P2，N沟道MOSFET开关管Q5、Q6、Q7、Q8，滤波电容C3、C4，三端稳压源M。其连线方式为：输入端P2对外通过总线与主机P1端子无极性相连，即既可以P2的1脚与P1的1脚相连、P2的2脚与P1的2脚相连，也可以P2的1脚可以与P1的2脚相连、P2的2脚与P1的1脚相连。Q5、Q6、Q7、Q8构成一个全桥结构，Q5、Q6的桥臂中点与P2的1脚相连，Q7、Q8的桥臂中点与P2的2脚相连，Q5、Q7的漏极与电容C3的正极、M的输入端相连，Q6、Q8的源极与电容C3、C4的负极、M的接地端相连，M的输出端与C4的正极相连。
该实施方式中，从机与主机的通信通过控制Q5、Q6、Q7、Q8的开关实现。当总线正向连接时，即P2端子的1脚与主机P1端子的1脚相连，P2端子的2脚与主机P1端子的2脚相连时，在通信时隙，Q5和Q8开通表示发送数据，开通的时长则表示不同的信号；当总线反向连接时，即P2端子的1脚与主机P1端子的2脚相连，P2端子的2脚与主机P1端子的1脚相连时，在通信时隙，Q6和Q7开通表示发送数据，开通的时长则表示不同的信号。
作为第三种实施方式，从机电路如图7所示，包括总线输入接线端子P2，N沟道MOSFET开关管Q5，二极管D5、D6、D7、D8、D9，滤波电容C3、C4，三端稳压源M。其连线方式为：输入端P2对外通过总线与主机P1端子无极性相连，即既可以P2的1脚与P1的1脚相连、P2的2脚与P1的2脚相连，也可以P2的1脚可以与P1的2脚相连、P2的2脚与P1的1脚相连。D5、D6、D7、D8构成一个全桥整流结构，D5、D6桥臂的中点与P2的1脚相连，D7、D8桥臂的中点与P2的2脚相连，D5、D7的阴极与D9的阳极、Q5的漏极相连，D9的阴极与C3的正极、M的输入端相连，D6、D8的阳极与Q5的源极、电容C3、C4的负极、M的接地端相连，M的输出端与C4的正极相连。该实施方式中，从机与主机的通信通过控制Q5的开关实现，在通信时隙，开关管Q5开通表示发送数据，开通的时长则表示不同的信号。
图10所示为样机的实测波形，三个波形从上至下依次为：主机侧总线A的对地电压uA,主机侧总线B的对地电压uB,以及uA+uB,图中，横坐标每一大格为100μs，纵坐标每一大格为20V。从图中可以看出，由于主机采用了桥式对称结构，尽管每一根电源线对地电压均较高，但uA+uB，始终为一定值，即该系统几乎不会对外产生共模干扰，可适用于大功率的场合。
Claims (1)
1.一种具有共模电流抑制能力的能量与信息时分复合传输系统，包括一台主机和多台从机；所述的主机单点接地且主机与各从机通过一对总线连接，主机与从机之间以及从机与从机之间通过所述的总线实现双向通信；系统的每一工作周期包含有非重合的供电时隙和通信时隙，所述的供电时隙内主机向各从机传输能量，所述的通信时隙内主机与从机之间或从机与从机之间进行双向通信；其特征在于：
所述的主机采用对称的桥式拓扑结构，从而使得任何时刻总线的共模电压均为一恒定值；
所述的主机包括控制单元、共模扼流圈、直流源E、四个NMOS管Q1～Q4、两个阻抗网络Z1～Z2、两个二极管D1～D2以及两个共模抑制电容C1～C2；其中，所述的共模扼流圈由两个线圈L1～L2耦合而成，直流源E的正极与NMOS管Q1和Q3的漏极相连，NMOS管Q1的源极与NMOS管Q2的漏极、阻抗网络Z1的一端和二极管D1的阳极相连，NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的漏极、阻抗网络Z2的一端和二极管D2的阴极相连，阻抗网络Z1的另一端与二极管D1的阴极和线圈L1的同名端相连，阻抗网络Z2的另一端与二极管D2的阳极和线圈L2的同名端相连，直流源E的负极与NMOS管Q2和Q4的源极以及两个共模抑制电容C1～C2的一端相连并接地，线圈L1的异名端与共模抑制电容C2的另一端相连并接对应的总线，线圈L2的异名端与共模抑制电容C1的另一端相连并接对应的总线，四个NMOS管Q1～Q4的栅极均接收控制单元提供的开关信号；
所述的从机包括控制单元、五个二极管D4～D8、NMOS管Q5、三端稳压源M以及两个滤波电容C3～C4；其中，二极管D5和D7的阴极与二极管D4的阳极和NMOS管Q5的漏极相连，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极相连并接对应的总线，二极管D7的阳极与二极管D8的阴极相连并接对应的总线，二极管D4的阴极与滤波电容C3的一端和三端稳压源M的输入端相连，二极管D6和D8的阳极与NMOS管Q5的源极、滤波电容C3的另一端、三端稳压源M的接地端和滤波电容C4的一端相连，三端稳压源M的输出端与滤波电容C4的另一端相连，滤波电容C4两端并联负载，NMOS管Q5的栅极接收控制单元提供的开关信号。
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