CN105573403A - 一种总线供电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路，具体是一种总线供电电路，包括总线的正极线、负极线、高压电源产生电路、Vcc产生电路、其他所需电源产生电路、CPU、功能电路、接收电路和发送电路，所述Vcc产生电路的一端与二极管的负端连接，另一端与负极线相连；所述储能电容的一端与二极管的负端连接，另一端接地；所述Vcc产生电路还与一第二电容并联；所述其他所需电源产生电路、CPU、功能电路、接收电路、发送电路都与Vcc产生电路连接，其中，所述CPU还分别连接其他所需电源产生电路、功能电路、接收电路、发送电路，所述接收电路和发送电路还连接正极线。本发明能够在整个电源电压范围内都合理的设定电流限制值，提升了电压调制的灵活性。

Description

一种总线供电电路

技术领域

本发明涉及一种电路，具体涉及一种总线供电电路。

背景技术

在总线供电技术中，主机和一定数量的从机通过两根电缆相连接，所有的从机都并联连接在总线上，并且通过总线获取电源，同时，总线也作为主机与从机相互通信的信号线。主机向从机发送数据时采用的是总线电压调制的方法，即改变总线电压值来传输数据；而从机向主机发送数据时采用的则是总线电流调制的方法，即从机通过从总线上额外抽取一定值的电流来传输数据。通过总线供电，可以使所有从机设备无需配备电池，无需另行布接电源，安装维护成本低，环保无污染。

根据现场总线物理层规格，现场总线供给的电源电压范围在9~32V，冲击电流规定为从接通电源时起20ms以内的时间段中抑制在稳定电流I0+20mA以内。现有技术中，总线供电的从机电路总线电流的最大值与总线电压相关，导致不能够同时满足电源电压为9V和32V的要求，从而不得不将总线的电源电压设定在较窄的范围中，此外现有技术中，总线电压调制的范围必须在从机的最低工作电压之上以保证从机在主机发送数据时仍能正常工作，这极大的限制了总线电压调制的范围、减小了总线电缆的覆盖范围。

如附图1所示，是现有技术中总线供电电路的示意图，图中Lp和Ln分别为总线的正极线和负极线，对于不分极性的总线则需要通过一级桥式整流器转换为图中的Lp和Ln。从机电路通常可划分为以下几个部分：（1）电源模块：总线通过第十一电阻（R11）连接至齐纳稳压管（D11），产生所需要的Vcc电压，作为从机电路各模块的供给电源；（2）CPU：CPU实现从机整体的时序逻辑控制，数字信号处理等功能；（3）功能电路：功能电路实现各类从机的各种功能，如水、电、气等各项数据的计量或者温度检测、烟雾报警检测等等；（4）接收电路：接收电路通过检测总线电压状态来接收主机发送的数据；（5）发送电路：发送电路通过从总线上额外抽取一定值的电流来实现向主机发送数据的功能。

附图1中示意的总线供电电路存在下列问题：现场总线供给的电源电压范围在9~32V,假设图1中的从机电路工作稳定时需要的电流I0（稳定电流）=10mA，Vcc（从机工作时的电源电压）=5V。若满足Vbus（总线电源电压）=9V，则R11=（Vbus-Vcc）/I0=400Ω，但此时Vbus=32V时，Ibus（总线电源电流）=（32-5）/400=67.5mA，其值远大于从机电路工作稳定时需要的电流（10mA），将导致能量上极大的浪费。而如果满足Vbus=32V时，则R11=（Vbus-Vcc）/I0=2.7KΩ，但此时在Vbus=9V时，Ibus=（9-5）/2.7K=1.48mA，其值远小于从机电路工作稳定时需要的电流（10mA）。由此可见，图1中的结构只适应于较窄的总线电源电压范围，不能同时满足9V和32V的要求。

为了保证在主机向从机发送数据时，从机仍然能够正常工作，主机对总线电压的调制范围必须在从机最低工作电压之上，并且由于总线电缆阻抗的原因，各从机总线上的实际电压值将会低于主机端的总线电压，这个压差值取决于从机和主机的距离及线缆的电阻，因此总线电压最低值应当以离主机最远的从机为标准，这导致不得不通过降低总线电压调制的范围或者减小总线电缆的覆盖范围来保证整个系统正常工作。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术的问题，从而提供了一种总线供电电路，该电路能够在整个电源电压范围内合理的设定电流限流值，从而提升主机对总线电压调制的灵活性及总线电缆的覆盖范围。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种总线供电电路，包括总线的正极线（Lp）、负极线（Ln）以及从机电路，其特征在于，所述从机电路包括：高压电源（HVcc）产生电路、Vcc产生电路、其他所需电源产生电路、CPU、功能电路、接收电路和发送电路，所述高压电源产生电路中包含限流源电路、二极管（D1）和储能电容（C1），所述限流源电路的一端连接正极线，其另一端通过二极管分别连接Vcc产生电路和储能电容；所述Vcc产生电路的一端与二极管的负端连接，另一端与负极线相连；所述储能电容的一端与二极管的负端连接，另一端接地；所述Vcc产生电路还与一第二电容（C2）并联；所述其他所需电源产生电路、CPU、功能电路、接收电路和发送电路都与Vcc产生电路连接，其中，所述CPU还分别连接其他所需电源产生电路、功能电路、接收电路和发送电路，所述接收电路和发送电路还与正极线连接。

优选的：所述限流源电路由第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、稳压管（ZD）、第一NMOS管（N1）、第二NMOS管（N2）、第三NMOS管（N3）、第一PMOS管（P1）、第二PMOS管（P2）、第三PMOS管（P3）和偏置VB产生电路组成。

另一优选的是：所述限流源电路由第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第六电阻（R6）、稳压管（ZD）、第一NMOS管（N1）、第二NMOS管（N2）、第一PMOS管（P1）、第二PMOS管（P2）和第三PMOS管（P3）组成。

优选的：所述Vcc产生电路由带隙基准产生电路、第一运放（AMP1）、第六PMOS管P6、第一电阻（R1）和第二电阻（R2）组成。

优选的：所述偏置VB产生电路由运放（AMP）、第五电阻（R5）、第四NMOS管（N4）、第五NMOS管（N5）、第四PMOS管（P4）和第五PMOS管（P5）构成。

本发明的有益效果是：本电路中的从机电路启动电流限制值（下称“Ilimit1”）与正常工作电流限制值（下称“Ilimit2”）可以分别设置。其中Ilimit1可通过R4自由调节，并且Ilimit1、Ilimit2的值与总线电源电压（Vbus）无关，通过R4所设定的启动电流限制值满足整个电源电压范围的要求。Ilimit2的电流值可通过R5自由调节，且其具有较高的精度和温度特性，同时满足整个电源电压范围的要求。

本发明中，主机对总线电压进行调制时不受从机最低工作电压的限制，这样可以极大的扩大总线电压调制的范围，增大总线电缆的覆盖范围。

本发明中，高压电源电压（HVcc）仅比Vbus低一个二极管（D1）压降，利用其挂接的储能电容（C1），可以充分的利用总线上的能量，给予主机与从机最大限度的通信时间窗口。

附图说明

图1，现有技术的总线供电电路的示意图；

图2，本发明的电路组成示意图；

图3，本发明第一种实施方式的电路组成示意图；

图4，本发明第二种实施方式的电路组成示意图；

图5，本发明中Vcc产生电路的一种实现方式示意图；

图6，本发明中偏置VB产生电路的一种实现方式示意图；

图7，对应图3中各参数变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及优选的方案对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如附图2所示，是本发明的电路组成示意图，具体是一种总线供电电路的组成示意图，该电路包括总线的正极线（Lp）、负极线（Ln）和从机电路11，从机电路11包括高压电源产生电路1、Vcc产生电路2、其他所需电源产生电路3、CPU4、功能电路5、接收电路6和发送电路7，所述高压电源产生电路1中包含有限流源电路8、二极管（D1）和储能电容（C1），所述限流源电路8的一端连接正极线，其另一端通过二极管分别连接Vcc产生电路2和储能电容；所述Vcc产生电路2的一端与二极管的负端连接，另一端与负极线相连；所述储能电容的一端与二极管的负端连接，另一端接地；所述Vcc产生电路2还与一第二电容（C2）并联；所述其他所需电源产生电路3、CPU4、功能电路5、接收电路6、发送电路7都与Vcc产生电路2连接，其中，所述CPU4还分别连接其他所需电源产生电路3、功能电路5、接收电路6、发送电路7，所述接收电路6和发送电路7还与正极线连接。

实施例一：本实施例结合附图3、附图5和附图6来说明，该实施例中的限流源电路8由第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、稳压管（ZD）、第一NMOS管（N1）、第二NMOS管（N2）、第三NMOS管（N3）、第一PMOS管（P1）、第二PMOS管（P2）、第三PMOS管（P3）、偏置VB产生电路9组成。附图5所示的是Vcc产生电路2的一种具体实现方式示意图，该电路通过带隙基准电路10及运放，可以保证Vcc电源的稳定性，其具体值可以通过电阻R1、R2进行调节。

如附图6所示，偏置VB产生电路9由运放（AMP）、第五电阻（R5）、第四NMOS管（N4）、第五NMOS管（N5）、第四PMOS管（P4）、第五PMOS管（P5）构成。

工作原理：开始启动时，HVcc、Vcc均为0V，附图3中正常工作限制不起作用（产生正常工作电流限制值的支路电流为0，即I2=0），总线电流限制值由启动限制来决定；启动时，通过R3及ZD的作用，将N1的栅端电压稳定在Vzd（稳压管ZD的击穿电压），从而产生电流I1（产生启动电流限值的支路电流），然后通过由P2和P3组成的1：n的电流镜产生电流Iea（限流源电路输出的电流）流经D1向C1充电，此时P2和P3均处于饱和区，Iea=n*I1，限流源电路8处于过载状态，Ibus=Ilimit1，Ilimit1约为（n+1）*I1。随着对C1的充电，高压电源逐渐上升，然后产生的从机电源电压Vcc均逐渐上升至正常值，同时启动限制产生的电流I1逐渐减小至0，而正常工作限制所产生的电流I2逐渐增大至稳定值。电流I2通过由P2和P3组成的1：n的电流镜产生电流Iea，流经D1继续向C1充电，此时P2和P3均处于饱和区，Iea=n*I2，限流源处于过载状态，Ibus=Ilimit2，Ilimit2约为（n+1）*I2。当高压电源增加到大于VP-|VTHP3|（VTHP3为P3管的阈值电压，VP为P3管的栅端电压）时，P3管将退出饱和区进入线性区，此时限流源电路8处于轻载状态，Iea<Ilimit2且Iea随着高压电源的增加继续减小，最后高压电源稳定不变，Ibus=I0即从机工作时消耗的电流值，高压电源约为Vbus-Vd1（Vd1为二极管D1的压降），即高压电源与Vbus之间相差一个二极管的压差（约0.8V）。本实施例中的各参数变化示意图如附图7所示。

实施例二：本实施例结合附图4和附图5来说明，该实施例中的限流源电路8由第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第六电阻（R6）、稳压管（ZD）、第一NMOS管（N1）、第二NMOS管（N2）、第一PMOS管（P1）、第二PMOS管（P2）、第三PMOS管（P3）。

工作原理：本实施例中的I2的电流值可以通过R6自由调节，本实施例与实施例一的区别仅在于用R6来代替N3和偏置VB产生电路，与实施例一相同的工作原理这里就不再赘述。本实施例的电路组成结构相对于实施例一的电路组成结构更简单，但Ilimit2值的精度及温度系数更差。

本发明通过限流源电路8来实现从机电路11的Ilimit1与Ilimit2分别设置；满足了整个电源电压范围的要求。

Claims (5)

1.一种总线供电电路，包括总线的正极线、负极线以及从机电路，其特征在于：所述从机电路包括高压电源产生电路、Vcc产生电路、其他所需电源产生电路、CPU、功能电路、接收电路和发送电路（7），所述高压电源产生电路中包含限流源电路、二极管和储能电容，所述限流源电路的一端连接正极线，其另一端通过二极管分别连接Vcc产生电路和储能电容；所述Vcc产生电路的一端与二极管的负端连接，另一端与负极线相连；所述储能电容的一端与二极管的负端连接，另一端接地；所述Vcc产生电路还与一第二电容并联；所述其他所需电源产生电路、CPU、功能电路、接收电路和发送电路都与Vcc产生电路连接，其中，所述CPU还分别连接其他所需电源产生电路、功能电路、接收电路和发送电路，所述接收电路和发送电路还与正极线连接。

2.根据权利要求1所述的总线供电电路，其特征是：所述Vcc产生电路（2）由带隙基准产生电路（10）、第一运放、第六PMOS管、第一电阻和第二电阻组成。

3.根据权利要求1所述的总线供电电路，其特征是：所述限流源电路（8）由第三电阻、第四电阻、稳压管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和偏置VB产生电路（9）组成。

4.根据权利要求1所述的总线供电电路，其特征是：所述限流源电路（8）由第三电阻、第四电阻、第六电阻、稳压管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管组成。

5.根据权利要求3或4所述的总线供电电路，其特征是：所述偏置VB产生电路（9）由运放、第五电阻、第四NMOS管、第五NMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管构成。