CN108874718A - 一种低功耗隔离型总线取电mbus通信接口电路 - Google Patents

一种低功耗隔离型总线取电mbus通信接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，属于电路控制技术领域，包括整流电路、恒流储能稳压电路、降压转换电路、变频驱动推挽输出隔离转换输出电路以及待供电设备；整流电路的输入端接入MBUS总线，整流电路的输出端与恒流储能稳压电路输入端连接；恒流储能稳压电路的输出端与降压转换电路输入端连接；降压转换电路的输出端与变频驱动推挽输出隔离转换电路的输入端连接，变频驱动推挽输出隔离转换电路将降压转换电路输出的电压信号稳压输出至待供电设备。本发明可有效降低MBUS通信接口电路的功耗。

Description

一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路
技术领域
本发明涉及电路控制技术领域，特别涉及一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路。
背景技术
MBUS是一种专门为热量表远程数据传输设计的总线协议，它是测量数据传输数字化的一种重要技术，已经广泛应用于无源接点（水、电、气、热能表、楼宇等）的数据采集场合。
目前，采用的MBUS总线供电隔离方式如图1所示：MBUS总线连接TSS721A芯片，TSS721A芯片的STC输出引脚输出上取电并输入到稳压器件，稳压器件降压至4.4V，4.4V电压为4通道与非门供电，与非门通过与电阻和电容结合组成震荡器，再通过变压器和二极管整流输出电压提供给热量表供电。
但因TSS721A芯片的STC脚输出电压只有5.6-6.4V，经稳压芯片转换损耗和隔离变压器的转换损耗会使输出效率大大降低。如果从总线取1mA的电流，根据能量守恒定律提供给设备的功率不会大于5mW，因此提供设备的电压低电流小，且使总线损耗电流大。也就是说STC三脚也为TSS721A的接收电路供电，因此影响接收电路的稳定性。导致该电路总线取电功耗大、通讯稳定性差且无法满足MBUS总线VMARK(20-42V)范围的应用，使得从机MBUS取电应用局限性，降低了从机节点数量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，以降低MBUS通信接口电路的总线取电功耗。
为实现以上目的，本发明采用一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，包括：整流电路、恒流储能稳压电路、降压转换电路、变频驱动推挽输出隔离转换输出电路以及待供电设备；
整流电路的输入端接入MBUS总线，整流电路的输出端与恒流储能稳压电路输入端连接，恒流储能稳压电路将整流电路输出的电压信号转换输出为恒定电流信号和稳定直流电压信号；
恒流储能稳压电路的输出端与降压转换电路输入端连接，降压转换电路将恒流储能稳压电路输出的直流电压信号转换为5V电压；
降压转换电路的输出端与变频驱动推挽输出隔离转换电路的输入端连接，变频驱动推挽输出隔离转换电路将降压转换电路输出的电压信号稳压输出至待供电设备。
进一步地，所述整流电路为二极管组成的桥式整流桥、三极管组成的整流桥、集成芯片桥或者晶闸管组成的整流桥。
进一步地，所述恒流储能稳压电路为集成型稳压电路、运算型稳压电路或者晶体管型稳压电路。
进一步地，所述晶体管型稳压电路包括第一晶体管、第二晶体管、储能电容以及稳压管，第一晶体管的基极与第二晶体管的发射极连接后经电阻R3接入所述整流电路的输出端，第一晶体管的发射极接入所述整流电路的输出端；
第一晶体管的集电极与第二晶体管的基极连接，第一晶体管的集电极经电阻R1接地，第二晶体管的集电极与所述储能电容的正极连接，所述储能电容的正极与稳压管的负极连接，稳压管的正极与所述储能电容的负极连接后接地。
进一步地，所述集成型稳压电路包括恒流源集成电路芯片、稳压管和储能电容，恒流源集成电路芯片的输入端与所述整流电路输出端连接，恒流源集成电路芯片的输出端与储能电容连接，储能电容与稳压管并联。
进一步地，所述运算型稳压电路包括集成运算放大器、晶体管、电阻、稳压管和储能电容；运算放大器的正向输入接入基准电压，运算放大器的输出端接入晶体管的基极，运算放大器的反向输入与晶体管的发射极连接后与电阻R110连接，电阻R110接VCC，晶体管的集电极与储能电容的正极连接，储能电容的负极与稳压管的正极连接后接地，稳压管的负极与储能电容的正极连接。
进一步地，所述降压转换电路包括稳压器U2，稳压器U2的输入端与所述恒流储能稳压电路的输出端连接，稳压器U2将所述恒流储能稳压电路的输出的20-36V电压和1mA电流，转换为5V电压和35mW功率为待供电设备提供电能。
进一步地，稳压器U2为降压稳压器或线性稳压器。
进一步地，所述变频驱动推挽输出隔离转换电路包括驱动器U4和高频变压器，驱动器U4的输出端与高频变压器连接以输出开关信号驱动高频变压器的初级，高频变压器的次级通过中间抽头推完输出电压信号；
高频变压器的次级输出端分别与二极管D3的正极连连接和与二极管D5的正极连接，二极管D3的负极和二极管D5的负极连接后与滤波电容C3连接，滤波电容C3依次与稳压管D8并联和电阻R5并联；
稳压管D8的负极作为稳压输出端与所述待供电设备连接。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明对MBUS从机接口电路进行改进，从机设备MBUS总线取电后，依次通过整流电路、恒流储能稳压电路以及降压转换电路后降低电压信号，扩大了总线供电的范围，降低了总线的功耗。再利用变频驱动推挽输出隔离转换输出电路具有效率转换高、电气隔离、抗外界干扰等特性，进一步降低总线功耗。同时通过恒流储能稳压电路将整流电路输出的电压信号转换成一个恒定的电流信号和一个稳定的直流电压信号，使得总线电流输出稳定以有效的保证通信的稳定性，从机设备之间不相互影响。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是背景技术部分述及的现有MBUS总线供电隔离结构示意图；
图2是变频驱动推挽输出隔离转换输出电路原理示意图；
图3是整流电路、恒流储能稳压电路以及降压转换电路的结构示意图；
图4是变频驱动推挽输出隔离转换输出电路的结构示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图2所示，本实施例提供了一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，包括整流电路1、恒流储能稳压电路2、降压转换电路3、变频驱动推挽输出隔离转换输出电路以及待供电设备；
整流电路1的输入端接入MBUS总线，整流电路1的输出端与恒流储能稳压电路2输入端连接，恒流储能稳压电路2将整流电路1输出的电压信号转换输出为恒定电流信号和稳定直流电压信号；
恒流储能稳压电路2的输出端与降压转换电路3输入端连接，降压转换电路3将恒流储能稳压电路2输出的直流电压信号转换为5V电压信号，以为变频驱动推挽输出隔离转换电路提供功率驱动；
降压转换电路3的输出端与变频驱动推挽输出隔离转换电路的输入端连接，变频驱动推挽输出隔离转换电路将降压转换电路3输出的电压信号稳压输出至待供电设备。
如图1、图2所示，本实方案在总线消耗1.5mA电流时，可为负载设备提供功率达到27-48.5mW范围，有效提高带负载能力。通信稳定性强，单节点异常不影响其它节点通讯。具有低功耗，提高从机节点数量；
可满足MBUS总线VMARK(20-42V)范围的应用，解决从机MBUS取电应用局限性。
进一步地，所述整流电路1为二极管组成的桥式整流桥、三极管组成的整流桥、集成芯片桥或者晶闸管组成的整流桥。
参阅图3所示，本实施例中的整流电路1通过四个二极管构成器桥式整流电路1，整流电路1的直流电压输出端与恒流储能稳压电路2输入连接。MBUS1接入二极管D2的引脚3，MBUS2接入D1的引脚3，D2的引脚1和D1的引脚1接地，D2的引脚2和D1的引脚2相连接作为输出端组成全波整流，使接入从机的不分极性MBUS总线信号整流为20-42V直流电压信号。
进一步地，所述恒流储能稳压电路为集成型稳压电路、运算型稳压电路或者晶体管型稳压电路。
其中，参阅图3所示，晶体管型稳压电路包括包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、储能电容C19以及稳压管D9，第二晶体管Q2的基极与第一晶体管Q1的集电极连接后串接电阻R1，电阻R1接地，第一晶体管Q1的基极与第二晶体管Q2的发射极连接后与电阻R3串联，电阻R3与所述整流电路1输出端连接，第一晶体管Q1的发射极与所述整流电路1的输出端连接；
第二晶体管Q2的集电极依次与储能电容C19的正极连接、与电容C25的一端连接以及与稳压管D9的负极连接，储能电容C19的负极、电容C25的另一端以及稳压管D9的正极连接后接地。
进一步地，集成型稳压电路包括恒流源集成电路芯片、稳压管和储能电容，恒流源集成电路芯片的输入端与所述整流电路输出端连接，恒流源集成电路芯片的输出端与储能电容的正极连接，储能电容的正极与稳压管的负极连接，储能电容的负极与稳压管的正极连接后接地。其中，恒流源集成电路芯片可选型为LM334。
进一步地，运算型稳压电路包括集成运算放大器U13、晶体管Q19、电阻R110、电阻R111、电阻R112、储能电容C62和稳压管D23；电阻R111一端接入运算放大器U13的正向输入端、另一端接入电源，电阻R112一端接入运算放大器U13的正向输入端、另一端接地；电阻R111的一端与电阻R112的一端连接接入运算放大器U13的正向输入端以为运算放大器提供基准电压，该基准电压为基准电压为(R112/(R111+R112))×VCC，运算放大器U13的反向输入端与晶体管Q19的发射极连接后与电阻R110串联，电阻R110接VCC产生输入电压；运算放大器U13的输出端接入晶体管Q19的基极，晶体管Q19的集电极与储能电容C62的正极连接，储能电容C62的正极与稳压管D23的负极连接，储能电容C62的负极与稳压管D23的正极连接后接地。
其中，运算放大器U13的和晶体管Q19、电阻R110组成恒流源电路，恒流输出值通过运算放大器同相端与反向端输入虚短的特点，同向端电压等于反向端电压值，因此确定电阻R110两端的压差值，得知流经电阻R110的电流值，运算放大器的输出使晶体管Q19导通，使通过电阻R110产生的电流，经晶体管Q19导通使集电极输出恒定电流储能电容C62进行电流储能的集电极输出恒定电流，然后经储能电容C62进行电流储能经稳压管D23稳压输出。
本实施例中的恒流储能稳压电路可使整流电路输出电压信号通过恒流储能稳压电路输出一个恒定电流1mA和稳定直流电压信号20-36V；总线电流输出稳定并有效保证了通信稳定性及从机设备之间不相互影响，可满足多种设备总线取电的需求。以晶体管型稳压电路为例，需要说明的是，在晶体管型稳压电路中，整流电路1输出电压20-42V信号，通过电阻R2，由于第二晶体管Q2的Ube压差即晶体管基极与发射极端的电压差为0.7V，且电阻R2并接在第二晶体管Q2的Ube两端，因此可以得出输出的电流=Ube/R2，第一晶体管Q1是第二晶体管Q2输出恒定电流反馈，当负载电流大时，R2两端压差变大，第一晶体管Q1集电极电流变大，第一晶体管Q1集电极电压升高，使第二晶体管Q2的Ube电压降低，集电极电流下降，因此第一晶体Q1具有负反馈作用，使输出电流恒定，第二晶体管Q2的集电极输出恒定电流经储能电容C19进行电流储能，第二晶体管Q2的集电极输出恒定电流经选定稳压管D9稳压输出20-36V为降压电路提供合适稳定的电压，此电路使总线电流输出稳定并有效保证了通信稳定性及从机设备之间不相互影响。
参阅图3所示，降压转换电路3包括稳压器U2（可为降压型稳压器或线性稳压器），所述恒流储能稳压电路2输出端连接后接入稳压器U2的VIN端，稳压器U2的EN端与电容C24的一端连接，电阻R29的另一端分别与电容C24的一端连接好与电阻R30的一端连接，稳压器U2的RT端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端、电容C24的另一端以及电阻R30的另一端均接地；
稳压器U2的LX端与电感L1串联后依次接电容C10的一端、电阻R20的一端以及电阻R22的一端连接，稳压器U2的GND端与电容C10的另一端连接后接地，电阻R20的另一端与电容C11串联后接地，稳压器U2的VOUT端与电阻R22的另一端连接，电阻R22的另一端与电阻R15串联后接地；电阻R22的一端与电容C14的一端连接，电容C5和电容C4依次与电容C14并联后接地。
需要说明的是，降压转换电路U2是一个电流调制模式降压开关稳压器，恒流储能稳压电路输出1.5mA的电流，20-36V的电压进入器件U2的输入端，通过器件U2电流调制降压，通过电阻R10设置同步开关频率，电阻R15为器件U2的反馈电阻，U2输出电压由VDD=(R22/R15+1)×0.8计算得出。该降压转换电路通过低功耗降压转性换器件U2把恒流储能稳压电路2输出电流1.5mA，输出电压20-36V的直流电压信号通过降压转换电路3转换为输出功率达到27-48.5mW，效率达到85%以上且微安级静态电流有效为总线降低功耗。
参阅图4所示，变频驱动推挽输出隔离转换电路包括驱动器U4和高频变压器，驱动器U4的GND端接地，驱动器U4的D1端、D2端和VCC端均接入高频变压器的初级线圈，驱动器U4的VCC端与电容C16串联后接地，高频变压器的次级输出端分别与二极管D3的正极连连接和与二极管D5的正极连接，二极管D3的负极和二极管D5的负极连接后与滤波电容C3连接，滤波电容C3依次与稳压管D8并联和电阻R5并联；稳压管D8的负极作为稳压输出端与所述待供电设备连接。
驱动器U4输出端与高频变压器连接以输出开关信号驱动高频变压器的初级，高频变压器的次级通过中间抽头推完输出经二极管D3和二极管D5整流，电容C13滤波，稳压管D8稳压输出提供给设备供电。
需要说明的是，降压转换电路输出电压提供给驱动器U4，U4器件产生360KHZ-410KHZ开关频率通过U4器件的D1口和D2口输出，D1口和D2口输出的频率相位差180°，推挽驱动高频变压器的初级，高频变压器的次级通过中间抽头推完输出同样频率和幅值相同的脉冲信号经二极管D3和二极管D5整流，电容C13滤波，稳压管D8稳压输出提供给设备供电。
此电路使产生推挽驱动高频变压器具有效率转换高、变压器具有电气隔离、抗外界干扰作用，推挽电路具有互补、低损耗、变压器磁芯利用率高等优点，可提高变压器转化效率和负载能力。使总线供电Imark=1.5mA时，能为设备提供5.4-9.5mA有效电流，有效的满足MBUS总线VMARK=20.8-42V和Imark<1.5mA使用范围，降低总线功耗、抗外界干扰作用。
需要说明的是，本实施例中的变频驱动推挽输出隔离转换电路可替换由定时器器件、电阻网络、电容网络组成振荡器驱动变压器初级线圈，次级线圈输出通过（三极管或集成芯片或晶闸管）整流，电容网络，稳压二极管组成隔离转换稳压输出电路。
或者由电阻网络、电容网络、晶体管组成振荡器驱动变压器初级线圈，次级线圈输出通过（三极管或集成芯片或晶闸管）整流通过电容滤波，稳压二极管稳压组成隔离转换稳压输出电路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，包括：整流电路、恒流储能稳压电路、降压转换电路、变频驱动推挽输出隔离转换输出电路以及待供电设备；
整流电路的输入端接入MBUS总线，整流电路的输出端与恒流储能稳压电路输入端连接，恒流储能稳压电路将整流电路输出的电压信号转换输出为恒定电流信号和稳定直流电压信号；
恒流储能稳压电路的输出端与降压转换电路输入端连接，降压转换电路将恒流储能稳压电路输出的直流电压信号转换为5V电压；
降压转换电路的输出端与变频驱动推挽输出隔离转换电路的输入端连接，变频驱动推挽输出隔离转换电路将降压转换电路输出的电压信号稳压输出至待供电设备。
2.如权利要求1所述的低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述整流电路为二极管组成的桥式整流桥、三极管组成的整流桥、集成芯片桥或者晶闸管组成的整流桥。
3.如权利要求1所述的低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述恒流储能稳压电路为集成型稳压电路、运算型稳压电路或者晶体管型稳压电路。
4.如权利要求3所述的低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述晶体管型稳压电路包括第一晶体管、第二晶体管、储能电容以及稳压管，第一晶体管的基极与第二晶体管的发射极连接后经电阻R3接入所述整流电路的输出端，第一晶体管的发射极接入所述整流电路的输出端；
第一晶体管的集电极与第二晶体管的基极连接，第一晶体管的集电极经电阻R1接地，第二晶体管的集电极与所述储能电容的正极连接，所述储能电容的正极与稳压管的负极连接，稳压管的正极与所述储能电容的负极连接后接地。
5.如权利要求3所述的低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述集成型稳压电路包括恒流源集成电路芯片、稳压管和储能电容，恒流源集成电路芯片的输入端与所述整流电路输出端连接，恒流源集成电路芯片的输出端与储能电容连接，储能电容与稳压管并联。
6.如权利要求3所述的低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述运算型稳压电路包括集成运算放大器、晶体管、电阻、稳压管和储能电容；运算放大器的正向输入接入基准电压，运算放大器的输出端接入晶体管的基极，运算放大器的反向输入与晶体管的发射极连接后与电阻R110连接，电阻R110接VCC，晶体管的集电极与储能电容的正极连接，储能电容的负极与稳压管的正极连接后接地，稳压管的负极与储能电容的正极连接。
7.如权利要求1所述的低功耗隔离型总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述降压转换电路包括稳压器U2，稳压器U2的输入端与所述恒流储能稳压电路的输出端连接，稳压器U2将所述恒流储能稳压电路的输出的20-36V电压和1mA电流，转换为5V电压和35mW功率为待供电设备提供电能。
8.如权利要求1所述的低功耗总线取电MBUS通信接口电路，其特征在于，所述变频驱动推挽输出隔离转换电路包括驱动器U4和高频变压器，驱动器U4的输出端与高频变压器连接以输出开关信号驱动高频变压器的初级，高频变压器的次级通过中间抽头推完输出电压信号；
高频变压器的次级输出端分别与二极管D3的正极连连接和与二极管D5的正极连接，二极管D3的负极和二极管D5的负极连接后与滤波电容C3连接，滤波电容C3依次与稳压管D8并联和电阻R5并联；
稳压管D8的负极作为稳压输出端与所述待供电设备连接。
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