CN218782531U - 一种通信模块驱动电路及电能表 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种通信模块驱动电路及电能表，包括发送驱动电路和接收驱动电路，发送驱动电路包括发送光耦驱动电路和发送光耦，接收驱动电路包括接收光耦驱动电路和接收光耦；通过光耦驱动电路具有开关切换延时小(开关延时为ns级别)，所需驱动电流小的特点，既不影响控制模块通信，又起到可弥补处理器和通信模块通信口驱动能力不足的作用，可广泛应用于电能表、用电采集终端及其它产品中。

Description

一种通信模块驱动电路及电能表
技术领域
本实用新型属于电力电子领域，具体涉及一种通信模块驱动电路及电能表。
背景技术
最新的量测产品技术规范中，已经要求部分智能电表和用电采集终端产品上具备处理器和通信模块，通常处理器采用MCU，通信模块采用CAN收发器，并要求CAN收发器与集成控制器的MCU进行电气隔离；由于CAN通信具备全双工通信特点及其自身应答机制的要求，目前的电气隔离通信方案分为三种，分别是高速光耦通信、容隔通信和磁隔离通信；本实用新型讨论与高速光耦通信方案相关的内容。
采用高速光耦的CAN通信方案中，高速光耦的驱动侧需要与MCU(内置CAN控制器)以及CAN收发器的信号发送端口直连；由于高速光耦要求的驱动电流比较大(高速光耦的驱动电流远大于普通光耦的驱动电流，考虑到光耦的光衰效应、高温CTR变化因素以及驱动电流对光耦延时的影响，通常将驱动电流IF设定在8mA或者以上)，然而部分MCU的IO口(部分MCU的IO口驱动能力在6mA以内)以及CAN收发器的通信口(部分国产CAN收发器驱动能力在±2mA左右)驱动能力较弱，无法满足对上述高速光耦的驱动要求，这就限制了高速光耦与MCU和CAN收发器芯片直连方案的应用范围；因此需要寻找一种可解决上述问题的方案。
现有技术方案的原理框架图如图1所示，MCU中的CAN控制器将TTL电平送至高速光耦，高速光耦将输入驱动信号变为二次侧的隔离输出信号，并送至CAN收发器；CAN收发器接收到光耦发出的信号，转换为差分信号送至CAN总线；当CAN总线上设备回复信号时，按照前述流程逆向传输和变换，即完成了从MCU→高速光耦→CAN收发器→CAN总线→其它CAN设备→CAN总线→CAN收发器→高速光耦→MCU的信号闭环流程。
如图2所示为现有技术方案的原理图，U4为CAN收发器，其“TXD”、“RXD”的驱动能力为±2mA；“MCU_CAN_TX”、“MCU_CAN_RX”为MCU侧的CAN控制器收发引脚，驱动能力通常不超过6mA。如果选取现有方案，需要特别选取MCU及CAN通信口驱动能力强的芯片，这就使现有方案的应用范围受到比较大的限制。如果受前述驱动能力不足的影响，对MCU进行更换，那么相当于变更了一款产品的“核心”，对应的成本、底层驱动、程序、外围电路、尺寸、封装等诸多因素需要考虑。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种通信模块驱动电路及电能表，用以解决处理器和通信模块驱动能力不足的技术问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种通信模块驱动电路，包括发送驱动电路和接收驱动电路，发送驱动电路包括发送光耦驱动电路和发送光耦，发送光耦驱动电路包括发送开关管和第一肖特基二极管；发送开关管的控制端通过第一电阻用于连接处理器的输出端，还通过第二电阻用于连接第一电源；发送开关管的输入端用于连接第一电源；发送开关管的输出端通过第一肖特基二极管连接发送开关管的控制端，还连接发送光耦原边一端，且第一肖特基二极管阳极连接发送开关管的输出端；发送光耦原边另一端接地；发送光耦副边一端用于连接通信模块，发送光耦副边另一端接地。
其有益效果为：本实用新型增加了发送光耦驱动电路和发送光耦通过光耦驱动电路具有开关切换延时小(开关延时为ns级别)，所需驱动电流小的特点，既不影响控制模块通信，又起到可弥补处理器和通信模块通信口驱动能力不足的作用。
进一步地，接收驱动电路包括接收光耦驱动电路和接收光耦，接收光耦驱动电路包括接收开关管和第二肖特基二极管；接收开关管的控制端通过第三电阻用于连接通信模块，还通过第四电阻用于连接第二电源；接收开关管的输入端用于连接第二电源；接收开关管的输出端通过第二肖特基二极管连接接收开关管的控制端，还连接接收光耦原边一端，且第二肖特基二极管阳极连接接收开关管的输出端；接收光耦原边另一端接地；接收光耦副边一端用于连接处理器的输出端，接收光耦副边另一端接地。
其有益效果为：本实用新型增加了接收光耦驱动电路和接收光耦通过光耦驱动电路具有开关切换延时小(开关延时为ns级别)，所需驱动电流小的特点，既不影响控制模块通信，又起到可弥补处理器和通信模块通信口驱动能力不足的作用。
进一步地，发送开关管和接收开关管均为三极管。
其有益效果为：通过三极管达到小电流驱动大电流的作用。
为解决上述技术问题，本实用新型还提供了一种电能表，包括处理器、通信模块和通信模块驱动电路，且处理器通过通信模块驱动电路与通信模块连接，通信模块驱动电路包括发送驱动电路和接收驱动电路，发送驱动电路包括发送光耦驱动电路和发送光耦，发送光耦驱动电路包括发送开关管和第一肖特基二极管；发送开关管的控制端通过第一电阻用于连接处理器的输出端，还通过第二电阻用于连接第一电源；发送开关管的输入端用于连接第一电源；发送开关管的输出端通过第一肖特基二极管连接发送开关管的控制端，还连接发送光耦原边一端，且第一肖特基二极管阳极连接发送开关管的输出端；发送光耦原边另一端接地；发送光耦副边一端用于连接通信模块，发送光耦副边另一端接地。
其有益效果为：本实用新型增加了发送光耦驱动电路和发送光耦通过光耦驱动电路具有开关切换延时小(开关延时为ns级别)，所需驱动电流小的特点，既不影响控制模块通信，又起到可弥补处理器和通信模块通信口驱动能力不足的作用。
进一步地，接收驱动电路包括接收光耦驱动电路和接收光耦，接收光耦驱动电路包括接收开关管和第二肖特基二极管；接收开关管的控制端通过第三电阻用于连接通信模块，还通过第四电阻用于连接第二电源；接收开关管的输入端用于连接第二电源；接收开关管的输出端通过第二肖特基二极管连接接收开关管的控制端，还连接接收光耦原边一端，且第二肖特基二极管阳极连接接收开关管的输出端；接收光耦原边另一端接地；接收光耦副边一端用于连接处理器的输出端，接收光耦副边另一端接地。
其有益效果为：本实用新型增加了接收光耦驱动电路和接收光耦通过光耦驱动电路具有开关切换延时小(开关延时为ns级别)，所需驱动电流小的特点，既不影响控制模块通信，又起到可弥补处理器和通信模块通信口驱动能力不足的作用。
进一步地，发送开关管和接收开关管均为三极管。
其有益效果为：通过三极管达到小电流驱动大电流的作用。
进一步地，处理器为MCU。
其有益效果为：采用MCU处理器有效提高系统性能。
进一步地，通信模块为CAN收发器。
其有益效果为：采用CAN收发器有效提高系统性能。
附图说明
图1是现有技术方案的原理框架图；
图2是现有技术方案的原理图；
图3是实用新型对应的原理框架图；
图4是实用新型的对应的实际原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
电能表实施例：
如图3所示，本实用新型包括处理器(本实施例采用MCU)、通信模块(本实施例采用CAN收发器)和通信模块驱动电路，处理器通过通信模块驱动电路连接通信模块；发送驱动电路(如图4上半部分的高速开关及小电流驱动模块)包括发送光耦驱动电路和发送光耦(本实施例为高速光耦)；接收驱动电路(如图4下半部分的高速开关及小电流驱动模块)包括接收光耦驱动电路和接收光耦(本实施例为高速光耦)；接收光耦驱动电路用于接收处理器的驱动信号传输至发送光耦；发送光耦用于将驱动信号转换为隔离信号传输至通信模块；接收光耦驱动电路用于接收通信模块的回复信号传输至接收光耦；接收光耦用于将回复信号转换为隔离信号传输至处理器的输入端。
如图4所示，本实用新型的发送驱动电路包括发送光耦驱动电路和发送光耦OP3，发送光耦驱动电路包括发送开关管Q3和第一肖特基二极管D1；发送开关管Q3的控制端通过第一电阻R17用于连接处理器的输出端MCU_CAN_TX，还通过第二电阻R15用于连接第一电源VDD_3V3；发送开关管Q3的输入端用于连接第一电源VDD_3V3；发送开关管Q3的输出端通过第一肖特基二极管D1连接发送开关管Q3的控制端，还连接发送光耦OP3原边一端，且第一肖特基二极管D1阳极连接发送开关管Q3的输出端；发送光耦OP3原边另一端通过电阻R18接地；发送光耦OP3副边一端用于连接通信模块，发送光耦OP3副边另一端接地。
本实用新型的接收驱动电路包括接收光耦驱动电路和接收光耦OP4，接收光耦驱动电路包括接收开关管Q4和第二肖特基二极管D2；接收开关管Q4的控制端通过第三电阻R22用于连接通信模块，还通过第四电阻R20用于连接第二电源VDD_ISO；接收开关管Q4的输入端用于连接第二电源VDD_ISO；接收开关管Q4的输出端通过第二肖特基二极管D2连接接收开关管Q4的控制端，还连接接收光耦OP4原边一端，且第二肖特基二极管D2阳极连接接收开关管Q4的输出端，接收光耦OP4原边另一端通过电阻R23接地；接收光耦OP4副边一端用于连接处理器的输出端，接收光耦OP4副边另一端接地。
其中，Q3、R15、R17、D1、R18以及发送光耦的驱动二极管组成了高速开关及小电流驱动模块。
其中Q3、R15、R17、R18以及高速光耦的驱动二极管对应的是共发射极开关电路；但是普通的共发射极开关电路，从导通状态转换至截止状态过程中，由于基区的电荷存储效应，即使“MCU_CAN_TX”信号由低电平变为高电平，Q3中基区的电子并不能立刻消失，造成了从“开”到“关”过程中出现时间滞后的现象(对应晶体管从饱和区到截止区)，通常此类小信号三极管的滞后时间约为2μs；由于标准CAN通信的最高速率为1Mbps，(对应每个位宽为1μs)，前述之后时间已经远远超过一个数据位的宽度，因此需要提升开关速度。
选取肖特基二极管D1，并与Q3的CB结并联；由于肖特基二极管D1的正向压降VF小于三极管Q3的EB结压降(VF≈0.3V、VEB≈0.6V)，因此本来应该流过Q3的大部分基极电流现在被肖特基二极管D1旁路掉了，此刻流过Q3的基极电流很小，并且Q3处于放大状态，所以Q3从“开”到“关”的过程实际上是晶体管从放大区到截止区，大大提升了开关速度。
根据戴维南定理，Q3的基极和发射极之间的等效阻抗RB＝R15//R17＝5kΩ，等效开路电压VB＝VDD_3V3*R15/(R15+R17)＝1.65V，因此驱动Q3的等效基极电流IB＝VB/RB＝1.65V/5kΩ≈0.33mA，远小于CAN收发器的2mA驱动能力要求。
其中，Q4、R20、R22、D2、R23以及接收光耦的驱动二极管组成了高速开关及小电流驱动模块，其原理同上。
根据上述说明，本实用新型提供了高速开关和小电流驱动的高速光耦驱动电路，可广泛应用于电能表、用电采集终端及其它产品中，高速开关及小电流驱动模块具有开关切换延时小(开关延时为ns级别)，所需驱动电流小的特点，既不影响CAN通信，又起到可弥补MCU和CAN通信口驱动能力不足的作用，可广泛应用于电能表、用电采集终端及其它产品中。
通信模块驱动电路实施例：
如图4所示，本实用新型的通信模块驱动电路包括发送驱动电路和接收驱动电路，其具体电路结构已在电能表实施例中说明，这里不再赘述。
以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种通信模块驱动电路，包括发送驱动电路和接收驱动电路，其特征在于，所述发送驱动电路包括发送光耦驱动电路和发送光耦，所述发送光耦驱动电路包括发送开关管和第一肖特基二极管；所述发送开关管的控制端通过第一电阻用于连接处理器的输出端，还通过第二电阻用于连接第一电源；发送开关管的输入端用于连接第一电源；发送开关管的输出端通过第一肖特基二极管连接发送开关管的控制端，还连接发送光耦原边一端，且所述第一肖特基二极管阳极连接发送开关管的输出端；发送光耦原边另一端接地；发送光耦副边一端用于连接通信模块，发送光耦副边另一端接地。
2.根据权利要求1所述的通信模块驱动电路，其特征在于，所述接收驱动电路包括接收光耦驱动电路和接收光耦，所述接收光耦驱动电路包括接收开关管和第二肖特基二极管；所述接收开关管的控制端通过第三电阻用于连接通信模块，还通过第四电阻用于连接第二电源；接收开关管的输入端用于连接第二电源；接收开关管的输出端通过第二肖特基二极管连接接收开关管的控制端，还连接接收光耦原边一端，且所述第二肖特基二极管阳极连接接收开关管的输出端；接收光耦原边另一端接地；所述接收光耦副边一端用于连接处理器的输出端，所述接收光耦副边另一端接地。
3.根据权利要求2所述的通信模块驱动电路，其特征在于，所述发送开关管和接收开关管均为三极管。
4.一种电能表，包括处理器、通信模块和通信模块驱动电路，且处理器通过通信模块驱动电路与通信模块连接，所述通信模块驱动电路包括发送驱动电路和接收驱动电路，其特征在于，所述发送驱动电路包括发送光耦驱动电路和发送光耦，所述发送光耦驱动电路包括发送开关管和第一肖特基二极管；所述发送开关管的控制端通过第一电阻用于连接处理器的输出端，还通过第二电阻用于连接第一电源；发送开关管的输入端用于连接第一电源；发送开关管的输出端通过第一肖特基二极管连接发送开关管的控制端，还连接发送光耦原边一端，且所述第一肖特基二极管阳极连接发送开关管的输出端；发送光耦原边另一端接地；发送光耦副边一端用于连接通信模块，发送光耦副边另一端接地。
5.根据权利要求4所述的电能表，其特征在于，所述接收驱动电路包括接收光耦驱动电路和接收光耦，所述接收光耦驱动电路包括接收开关管和第二肖特基二极管；所述接收开关管的控制端通过第三电阻用于连接通信模块，还通过第四电阻用于连接第二电源；接收开关管的输入端用于连接第二电源；接收开关管的输出端通过第二肖特基二极管连接接收开关管的控制端，还连接接收光耦原边一端，且所述第二肖特基二极管阳极连接接收开关管的输出端；接收光耦原边另一端接地；所述接收光耦副边一端用于连接处理器的输出端，所述接收光耦副边另一端接地。
6.根据权利要求5所述的电能表，其特征在于，所述发送开关管和接收开关管均为三极管。
7.根据权利要求4～6任一项所述的电能表，其特征在于，所述处理器为MCU。
8.根据权利要求4～6任一项所述的电能表，其特征在于，所述通信模块为CAN收发器。
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