CN105808487A

CN105808487A - 一种供电装置及其控制方法

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Publication number: CN105808487A
Application number: CN201410850736.8A
Authority: CN
Inventors: 陈锋
Original assignee: HANGZHOU GUIXING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU GUIXING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN105808487B; WO2016107378A1

Abstract

本发明提出了一种供电装置及其控制方法，在从机端添加一能量抽取单元、电压检测器和数据及检测结果整合单元，由能量抽取单元抽取来自主机端的电能，再由电压检测器进行检测，并将电压状态信息通过数据及检测结果整合单元的整合，由从机单线数据收发器反馈至主机端，再由主机端的检测数据处理单元进行检测并处理，相应的调节主机端供电时间的宽度，从而达到闭环供电，减少从机端电源的纹波及噪声。

Description

一种供电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及单线数据传输领域，尤其涉及一种供电装置及其控制方法。

背景技术

单线传数据传输的同时给电可以节省一根电源线，这种方式在一些场合得到应用，比如手机麦克风接口的数字线控系统等。主机端(Master)通过麦克风单线给麦克风设备供电，同时通过此单线与麦克风设备数字通讯，控制麦克风设备。

现有这类单线传数据及同时供电的系统一般都是开环供电，从机端(Slave)电源质量得不到保证。由于主机供(Master)电端到从机用电端存在着寄生阻抗，因此从机端(Slave)设备用电电流的变化会引起从机端(Slave)电源的波动，造成从机端(Slave)电源会存在较大的纹波及噪声。

因此，急需提出一种能够使从机端(Slave)电源具有良好的质量，减少从机端(Slave)电源的纹波及噪声。

发明内容

本发明的目的在于提供一种供电装置及其控制方法，能够实现闭环供电，减少从机端电源的纹波及噪声。

为了实现上述目的，本发明提出了一种供电装置，包括：

主机端，所述主机端包括数据及电能整合单元、主机单线数据收发器及检测数据处理单元，所述数据及电能整合单元与所述主机单线数据收发器相连，所述主机单线数据收发器与所述检测数据处理单元相连，所述检测数据处理单元与所述数据及电能整合单元相连；

从机端，所述从机端包括从机单线数据收发器、能量抽取单元、电压检测器及数据及检测结果整合单元，所述电压检测器与所述能量抽取单元相连，并与所述数据及检测结果整合单元相连，所述数据及检测结果整合单元与所述从机单线数据收发器相连；

单线，所述单线连接所述主机单线数据收发器及从机端包括从机单线数据收发器，所述能量抽取单元与所述单线相连，用于抽取电能。

进一步的，在所述的供电装置中，所述能量抽取单元包括二极管和输出电容，所述二极管正端连接所述单线，负端连接所述电压检测器，所述输出电容一端与所述二极管负端相连，另一端接地。

进一步的，在所述的供电装置中，所述能量抽取单元还包括开关，所述开关与所述二极管并联。

进一步的，在所述的供电装置中，所述能量抽取单元为DCDC开关电源。

进一步的，在所述的供电装置中，所述能量抽取单元包括开关、电感、输出电容及时序产生器，所述开关包括第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，其中，所述第一开关和第四开关分别串联连接在所述电感的两端，所述第二开关和第三开关串联于所述电感并联，且接地，所述时序产生器分别控制所述第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，所述输出电容一端连接在所述第四开关的与所述电压检测器之间，另一端接地。

进一步的，在所述的供电装置中，所述能量抽取单元包括二极管、PMOS管及输出电容，所述二极管与所述PMOS管并联，所述输出电容一端连接所述二极管与所述电压检测器之间，另一端接地。

进一步的，在所述的供电装置中，所述检测数据处理单元为积分器。

本发明还提出了一种供电装置的控制方法，采用如上文所述的供电装置，包括步骤：

主机端的数据通过主机单线数据收发器及单线发送至从机单线数据收发器；

能量抽取单元抽取所述单线上的电能，并由电压检测器对其输出进行检测，将电压状态信息反馈至数据及检测结果整合单元；

所述数据及检测结果整合单元再将所述电压状态信息通过从机端包括从机单线数据收发器及单线发送至主机单线数据收发器；

由所述主机单线数据收发器将所述电压状态信息反馈至检测数据处理单元；

再由所述检测数据处理单元将所述电压状态信息处理的结果反馈至所述数据及电能整合单元，对数据及供电的宽度进行相应的调节后，再把电能通过所述主机单线数据收发器及单线发送至所述能量抽取单元。

进一步的，在所述的供电装置的控制方法中，当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压偏低时，则增加所述主机端供电时间的宽度；当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压偏高时，则减小所述主机端供电时间的宽度；当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压正常时，则维持所述主机端供电时间的宽度。

进一步的，在所述的供电装置的控制方法中，所述电压状态信息为大于等于1位的数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：在从机端添加一能量抽取单元、电压检测器和数据及检测结果整合单元，由能量抽取单元抽取来自主机端的电能，再由电压检测器对其输出进行检测，并将电压状态信息通过数据及检测结果整合单元的整合，由从机单线数据收发器反馈至主机端，再由主机端的检测数据处理单元进行检测并处理，相应的调节主机端供电时间的宽度，从而达到闭环供电，减少从机端电源的纹波及噪声。

附图说明

图1为本发明实施例一中单线双向传输数据供电装置的结构框图；

图2为本发明实施例一中单线双向传输数据供电装置的电路示意图；

图3为本发明实施例一中单线双向传输数据供电装置的时序图；

图4为本发明实施例二中能量抽取单元的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的供电装置及其控制方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想是：在现有单线传输数据基础上，拨出部分上传数据带宽用于上传从机端电源质量信息，主机端据此信息调整供电与上下行数据的时间比例，以控制从机端的电源的低纹波低噪声地高质量输出。具体实现方式，请参考以下实施例。

实施例一

请参考图1，在本实施例中，提出了一种供电装置，包括：

主机端(Master)，所述主机端包括数据及电能整合单元、主机单线数据收发器及检测数据处理单元，所述数据及电能整合单元与所述主机单线数据收发器相连，所述主机单线数据收发器与所述检测数据处理单元相连，所述检测数据处理单元与所述数据及电能整合单元相连；

从机端(Slave)，所述从机端包括从机单线数据收发器、能量抽取单元、电压检测器及数据及检测结果整合单元，所述电压检测器与所述能量抽取单元相连，并与所述数据及检测结果整合单元相连，所述数据及检测结果整合单元与所述从机单线数据收发器相连；

单线(VLINE)，所述单线连接所述主机单线数据收发器及从机端包括从机单线数据收发器，所述能量抽取单元与所述单线相连，用于抽取电能。

请参考图2，在本实施例中，所述能量抽取单元包括二极管D1、PMOS管MP1及输出电容C1，所述二极管D1与所述PMOS管MP1并联，所述输出电容C1一端连接所述二极管D1与所述电压检测器之间，另一端接地。所述能量抽取单元从单线VLINE上抽取电能，输出到VDDS点，供给从机端使用。

设置在从机端的电压检测器，用于检测从机端的能量抽取单元的输出点VDDS的电压，STATE是电压检测器的输出，反映VDDS的电压状态的信息。STATE可以是一位或多位的数字信号，如果是一位，则可以用1表示VDDS点电压高于某设定值VREF电压，用0表示VDDS点电压低于VREF电压。如果是两位，则可以用00表示VDDS点电压低于某设定较低电压VREFL，01表示VDDS点电压高于VREFL值同时低于某设定较高电能VREFH，11表示VDDS点电压高于VREFH值，10表示VDDS点电压低于某极低预设电能VREFLL，或10表示VDDS点电压高于某极高预设电能VREFHH。STATE也可以是三位或更多位，位数越多，传递的从机端电源电压VDDS点的信息就越多，后续的供电处理可以越高效，但相应的STATE的位数越多，占据的数据带宽就越大，同时电路面积及功耗消耗也会加大，具体的位数可以通过不同的需要来决定。本实施例中，均以两位为例进行说明。

设置在从机端的数据及检测结果整合单元，用于把从机端电压检测器的输出结果STATE整合到从机单线数据收发器的发送输入端STX，其中STX0是需要被发送的数据，将其与STATE进行整合。

设置在从机端的从机单线数据收发器，按照一定的协议，上传数据STX到单线VLINE上，接收单线VLINE上的数据到SRX。

设置在主机端的主机单线数据收发器，按照一定的协议，上传数据及供电信息MTX到单线VLINE上，接收单线VLINE上的数据到MRX。MTX中包含数据及供电控制信息。供电可以是利用单线数据收发器的高电平输出通道直接实现；也可以在主机端电源与VLINE点挂一功率管的源漏两极(对应MOS管)或发射集电两极(对应三极管)，MTX中的供电信息来驱动功率管的控制端来实现供电。以下所有相应部分描述采取用高电平输出通道直接实现供电方案。

所述从机端通常内部设有时钟产生单元，连接在所述单线上，并将所述单线上的时钟信号反馈至所述数据及检测结果整合单元。

设置在主机端的检测数据处理单元，处理来自MRX的从机端电源信息，把输出结果PI输出到数据及电能整合单元，用来控制主机端对从机端的供电宽度。

在本实施例的另一方面还提出了一种供电装置的控制方法，采用如上文所述的供电装置，包括步骤：

再由所述检测数据处理单元将所述电压状态信息处理的结果反馈至所述数据及电能整合单元，对数据及供电的宽度进行相应的调节后，再通过所述主机单线数据收发器及单线发送至所述能量抽取单元。

在本实施例中，当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压偏低时，则增加所述主机端供电时间的宽度；当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压偏高时，则减小所述主机端供电时间的宽度；当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压正常时，则维持所述主机端供电时间的宽度。

所述从机端内设有时钟产生单元，所述数据及检测结果整合单元将来自所述电压检测器将每一帧的电压状态信息与来自所述时钟产生单元的时钟信号进行整合，再通过所述从机单线数据收发器及单线发送至所述主机单线数据收发器。

具体的，在本实施例中，系统启动时，先由二极管D1对从机端供电，当系统同步后，由PMOS管MP1对从机端供电。从机端的电压检测器检测VDDS点的电压，当VDDS点电压低于预设值VREFL时，电压检测器输出STATE<1:0>＝00；当VDDS点电压高于VREFL同时低于较高预设值VREFH时，电压检测器输出STATE<1:0>＝01；当VDDS点电压高于VREFH时，电压检测器输出STATE<1:0>＝11；当VDDS点电压低于其规定正常工作电压下限VREFLL时，电压检测器输出STATE<1:0>＝10。

电压检测器输出数据STATE<1:0>输入数据及检测结果重采样单元。数据及检测结果重采样单元把从机端待发送数据STX0与STATE<1:0>在时钟产生单元产生的时钟信号CLKHS及CLKBUF作用下重新采样后一起输出，输出到STX点。时钟产生单元接收单线VLINE上的信息，从中恢复出时钟。其中CLKBUF是帧同步时钟，CLKHS是高频工作主时钟。从机端数据及检测结果重采样单元加上时钟产生单元一起组成了数据及检测结果整合单元。

在本实施例中，所述主机单线数据收发器及从机单线数据收发器均为三态数据收发器。所述三态数据收发器内部由三态发送器及接受器两部分组成。从机端的三态数据收发器的三态发送器部分其输入信号是STX，其来之数据及检测结果重采样单元，三态数据收发器的三态发送器部分的输出点连接单线VLINE。STX通过三态数据收发器的发送器功能，发送到单线VLINE上。从机端的三态数据收发器的接收器部分其输入连接单线VLINE，输出连接从机端的内部相应数据处理电路。从机端的三态数据收发器的三态发送器部分受控制信号CTRL_SHZ控制，当CTRL_SHZ为高电平时，内部发送器输出高阻态，当CTRL_SHZ为低电平时，内部发送器低阻输出，其值由STX决定。CTRL_SHZ仅在从机端需要上传数据时才被置成低电平，其他时间都置高电平。

同理主机端的三态数据收发器与从机端同，在此不作重复说明。

在本实施例中，所述检测数据处理单元为积分器。主机端的积分器处理来自从机端的电源状态相关信号STATE<1:0>。CLKBUF_M及CLKHS_M分别是主机端的帧同步信号及高频工作主时钟。每一个数据上传帧，积分器都在STATE<1:0>的控制下做一次操作。

以两位STATE为例说明一种处理的方法。每一帧数据，检测数据处理器接收MRX中的STATE信息，做相应处理：当STATE<1:0>＝00时，PI在原来的基础上增大，增加主机端供电的时间的宽度；当STATE<1:0>＝01时，PI保持原来的大小，主机端供电时间宽度不变；当STATE<1:0>＝11时，PI在原来的基础上减小，减小主机端供电的时间宽度，此时有更大的带宽用来走数据；当STATE<1:0>＝10时，假设此时从机端电源电压已经到了从机端电路能正常工作的下限值了，那么PI被设定在最大可以供电的大小上，这可以获取系统的快速动态响应。

设置在主机端的数据及电能整合单元。根据PI的大小来调整供电与传输数据的时间比例。较小的PI对应较短的供电时间，较大的PI对应较长的供电时间，同时相应增加或缩短数据传输时间。

具体的，当STATE<1:0>＝00，PI＝PI<1>+1(其中PI是当前积分器输出，PI<1>是前一帧时积分器输出)；

当STATE<1:0>＝01，PI＝PI<1>+0；

当STATE<1:0>＝11，PI＝PI<1>-1；

当STATE<1:0>＝10，PI＝PImax，其中PImax是系统允许的最大的值。

主机端的数据、时钟及电能整合单元在PI信号的控制下，控制一帧中数据及供电时间的比例，同时控制输出帧同步时钟。

从机端电压检测器检测电源输出点VDDS电压，检测结果STATE<1:0>输送给数据及检测结果重采样单元，此单元每帧数据传输时都把STATE<1:0>整合在帧内，STATE<1:0>信息经从机端及主机端的三态数据收发器发送到主机端的积分器输入。每一帧，积分器都根据STATE<1:0>的值做一次操作，或加1或不变或减1或其输出被重置成系统允许的最大值Pmax，规定此积分器输出最高被钳位在Pmax。

下面结合图3的时序来说明此装置的控制方法。

图3画出了单线VLINE及从机端PMOS管的控制信号CTRL_SPWB。

DG、DC、DP恒由主机端主动发送。DG恒为0，DC恒为1，DG与DC交界处的上升沿用来产生主机与从机的帧同步信号。即CLKBUF与CLKBUF_M通过DG、DC的上升沿同步。本发明的同步包含但不仅限于此。

DC及DP是主机端向从机端发送电能的阶段；

DL、DR是数据上传或下传的阶段；

DU是从机端电源状态信息，对应STATE；

DC的宽度可以调节，DP的位置、宽度及个数可以调节，把DG与DC的交界上升沿定义为一帧的开始。

从机端检测到电源电压状态STATE<1:0>，并在下一帧开始前把此状态发送到主机端，主机端的积分器在STATE<1:0>的控制下做相应操作，此操作然后单独控制下一帧DC的宽度或者控制DP的宽度或者控制DP的个数，或者同时控制这三个因素中的两个或者同时控制这三个因素。供电宽度与各因素的相互关系可以推导得出。

假设从机端负载平均电流为Iaverage，一帧的宽度为T，供电时的供电电流为ip，供电宽度为Tp。

根据电量平衡原理有：Iaverage*T＝ip*Tp等式1

由于供电存在着内阻R，图2应用中，有：

Ip＝(VDDM-VDDS)/R等式2

其中VDDM是主机端电源电压，VDDS是从机端电源电压，R是从VDDM到VDDS之间导通时寄生串联电阻。

由等式1与等式2可得：VDDS＝VDDM-Iaverage*T*R/Tp等式3

由等式3可以看出，控制Tp，可以控制VDDS稳定在设定值。

其中

Tp = {&Integral;}_{0}^{T} T_{DC} dt + Σ_{i = 1}^{M} T_{DP} (i)

等式4

其中TDC为连续变化的DC的时间，对他积分得到DC的时间宽度，TDP(i)为第i个DP的时间宽度，是离散量，是时钟主频宽度的整数倍。DC可以连续也可以是离散的。

从等式1到等式4可以看出，整个环路，通过调整DC及DP，可以得到一个稳定的从机端电压输出。

从机端通过PMOS开关管从单线VLINE上抽取电能。由于帧是同步的，又由于主机端积分器的操作是可以预测的，主机端数据、时钟及电能整合单元的操作也是预先可知的，因此从机端可以判断DC及DP的位置，在DC与DP的位置，控制从机端从VLINE取电。

整个闭环可以简化描述如下：

从机端电源检测->从机端检测结果单线上传->主机端检测结果处理->主机端调整发送数据及供电的宽度->主机端数据及能量下发->从机端能量抽取->从机端电源检测。

可见，在从机供电端增加一个电压检测器，此电压检测器的检测结果通过从机端数据及检测结果整合单元，整合到从机端到主机端的上行数据帧里或码流数据里，然后通过从机端单线数据收发器把数据发送到单线上。主机端通过单线数据收发器把单线上的数据帧或码流接收下来，接收下来的数据通过检测数据处理单元后把从机端电源信息处理成主机端供电的控制信号，此控制信号通过主机端数据及电能整合单元调整主机端供电时间宽度，然后通过主机端单线数据收发器的发送功能把调整后的数据及供电发送到单线上。从机端通过能量抽取单元把能量接收下来。通过这整个环路，达到闭环供电的目的，保证从机端电源的质量。

实施例二

能量抽取单元结构可以是正端接VLINE，负端接VDDS的二极管加上输出电容；也可以是上述二极管与一开关的并联加上输出电容，还可以是包含开关、电感、电容的DCDC开关电源。因此，在本实施例中，与实施一不同的是所述能量抽取单元。

所述能量抽取单元包括开关、电感L1、输出电容C1及时序产生器(TimingGenerator)，所述开关包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4，其中，所述第一开关S1和第四开关S4分别串联连接在所述电感L1的两端，所述第二开关S2和第三开关S3串联于所述电感L1并联，且接地，所述时序产生器分别控制所述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4，所述输出电容C1一端连接在所述第四开关S4的负端，另一端接地。

此外，在本实施例之外的其他实施例中，所述能量抽取单元包括二极管和输出电容，所述能量抽取单元正端连接所述单线，负端连接所述电压检测器，所述输出电容一端连接在所述第四开关S4与所述电压检测器之间，另一端接地，或者还包括开关与所述二极管并联。

综上，在本发明实施例提供的供电装置及其控制方法中，在从机端添加一能量抽取单元、电压检测器和数据及检测结果整合单元，由能量抽取单元抽取来自主机端的电能，再由电压检测器进行检测，并将电压状态信息通过数据及检测结果整合单元的整合，由从机单线数据收发器反馈至主机端，再由主机端的检测数据处理单元进行检测并处理，相应的调节主机端供电时间的宽度，从而达到闭环供电，减少从机端电源的纹波及噪声。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种供电装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述能量抽取单元包括二极管和输出电容，所述二极管正端连接所述单线，负端连接所述电压检测器，所述输出电容一端与所述二极管负端相连，另一端接地。

3.如权利要求2所述的供电装置，其特征在于，所述能量抽取单元还包括开关，所述开关与所述二极管并联。

4.如权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述能量抽取单元为DCDC开关电源。

5.如权利要求4所述的供电装置，其特征在于，所述能量抽取单元包括开关、电感、输出电容及时序产生器，所述开关包括第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，其中，所述第一开关和第四开关分别串联连接在所述电感的两端，所述第二开关和第三开关串联于所述电感并联，且接地，所述时序产生器分别控制所述第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，所述输出电容一端连接在所述第四开关与所述电压检测器之间，另一端接地。

6.如权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述能量抽取单元包括二极管、PMOS管及输出电容，所述二极管与所述PMOS管并联，所述输出电容一端连接所述二极管与所述电压检测器之间，另一端接地。

7.如权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述检测数据处理单元为积分器。

8.一种供电装置的控制方法，采用如权利要求1至7中任一种供电装置，其特征在于，包括步骤：

9.如权利要求8所述的供电装置的控制方法，其特征在于，当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压偏低时，则增加所述主机端供电时间的宽度；当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压偏高时，则减小所述主机端供电时间的宽度；当所述检测数据处理单元由所述电压状态信息检测到所述从机端的电压正常时，则维持所述主机端供电时间的宽度。

10.如权利要求8所述的供电装置的控制方法，其特征在于，所述电压状态信息为大于等于1位的数据。