CN103904743B

CN103904743B - 一种寄生供电方法及其结构

Info

Publication number: CN103904743B
Application number: CN201410123946.7A
Authority: CN
Inventors: 房慧龙; 房淼森
Original assignee: Changzhou College of Information Technology CCIT
Current assignee: Binzhou Kechuang Incubator Co.,Ltd.
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN103904743A

Abstract

本发明涉及一种寄生供电方法及其结构，包括受控上拉模块和寄生供电模块；受控上拉模块由单稳态电路、强上拉开关管及弱上拉电阻构成；寄生供电模块由整流开关管和储能电容构成；利用主从设备之间的通讯数据线对从设备进行供电；受控上拉模块受通信数据线电平控制自动调整强弱上拉状态，为寄生供电模块中的储能电容充电。本发明可以通过数据线为从设备供电，简化***，降低***成本；只需在主、从设备的双方分别连接受控上拉模块和寄生供电模块两个部分即可，无需对通信双方的软件和硬件进行任何的修改和调整。

Description

一种寄生供电方法及其结构

技术领域

本发明涉及寄生供电领域，尤其是一种利用主从设备之间的通讯数据线对从设备进行供电的寄生供电方法及其结构。

背景技术

寄生供电是一种通过主从设备之间的通讯数据线对从设备进行供电的方式，即在一条导线上，进行数据信号传输的同时还进行电源的传输，它常出现在串行通信中。当***采用寄生供电时，从设备直接从数据线获取电源，因此从设备无需额外的本地电源配置，减少了从设备***器件，从而降低了***成本。通常的寄生供电方法供电能力有限，仅仅能提供uA量级的负载电流，如1-WIRE协议中规定为每个通过寄生供电方式工作的从设备提供5uA的电流，而专利号为“201220682365.3”提出的改进方法又存在寄生供电时无法进行数据通讯的缺陷，因此，在实时监控及信号采集等方面，寄生供电未得到广泛的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种结构简单，无需额外的本地电源配置就可以同时进行数据信号的采集及供电的寄生供电方法及其结构。

本发明所采用的技术方案为：一种寄生供电方法，包括以下步骤：

1)在主设备收发器与从设备收发器之间连接通讯数据线；

2)在主设备收发器端连接受控上拉模块，在从设备收发器端连接寄生供电模块；

3)受控上拉模块通过通讯数据线上的信号电平控制自动选择强上拉或弱上拉电阻，对寄生供电模块的储能电容充电进而对从设备进行供电。

具体的说，本发明所述的步骤2)中的受控上拉模块包括单稳态电路、强上拉开关管以及弱上拉电阻；所述的单稳态电路的输入端与通讯数据线相连，单稳态电路的输出端与强上拉开关管的控制极相连，强上拉开关管的另外两端与弱上拉电阻的两端并联，并联后的一端与主设备的电源相连，另一端连接通信数据线；所述的寄生供电模块包括整流开关管以及储能电容；所述的整流开关管的控制极连接通信数据线，整流开关管的另外两端中的一端接至通讯数据线，另外一端与储能电容的一端相连并从此端引出寄生电源；储能电容的另一端接地。

本发明所述的步骤3)中通过通讯数据线对从设备供电的方法为：

当通信数据线为空闲高电平时，单稳态电路输出低电平，关闭强上拉开关管，受控上拉模块选择弱上拉电阻，通过弱上拉电阻和寄生供电模块中的整流开关管为储能电容充电，储能电容产生的寄生电源为从设备提供基本的供电；

当通信数据线上的信号从低电平变化到高电平时，单稳态电路将输出暂态，在其输出暂态的期间，强上拉开关管将导通，通讯数据线将与主电源接通并为从设备供电；

当通讯数据线输出高电平状态时，将控制寄生供电模块中的整流开关管导通，为储能电容迅速充电；储能电容产生的寄生电源为从设备供电。

为了避免因电路长时间处于强上拉状态导致主从设备的发送器无法拉低总线电平引起通讯数据错误，本发明所述的单稳态电路由通讯数据线上的上升边沿触发自动控制电路的强上拉状态并将强上拉状态限制在一定时间内，既实现了寄生供电又不影响双方的通信数据。

为保证通信数据可靠，本发明所述的单稳态电路输出的暂态时间小于主、从设备之间传送最短的数据脉冲宽度；所述的脉冲宽度取决于双方通信的数据比特率。设双方通信的数据比特率为S，单稳态电路输出的暂态时间为tp，考虑到双方通讯波特率存在误差以及单稳态电路中RC参数存在离散性，tp应满足以下关系式：

t_{p} = 0.8 \times \frac{1}{S}

同时，本发明还提供了一种寄生供电结构，包括主、从设备收发器以及连接主、从设备收发器的通讯数据线；所述的主设备收发器端设置受控上拉模块以及主电源；所述的从设备收发器端设置寄生供电模块；所述的受控上拉模块通过通讯数据线上的信号电平控制自动选择强上拉或弱上拉电阻，对寄生供电模块的储能电容充电进而对从设备进行供电。本发明所述的单稳态电路为微分型单稳态电路；设Vu为主电源电压，K为从设备允许的最低供电电压相对于主电源电压的系数，RDS1为强上拉开关管的导通电阻，RDS2为整流开关管的导通电阻，I为寄生供电负载电流。则负载电流I满足以下关系式：

I \approx \frac{(1 - K) V_{u}}{23 (R_{D S 1} + R_{D S 2})}

本发明所述的强上拉开关和整流开关管利用开关MOS管的低导通电阻特性，能提供较大的负载电流。

本发明只需在主、从设备的双方分别连接受控上拉模块和寄生供电模块两个部分即可，无需对通信双方的软件和硬件进行任何的修改和调整。

本发明的有益效果是：1、当***采用寄生供电时，从设备直接从数据线获取电源，无需从主设备引出电源线或配置额外的本地电源，减少了从设备***器件，缩小了从设备的体积，降低***成本，还方便***在复杂条件下进行扩展；2、本发明利用MOS开关管的低导通电阻的特性，使得在电路中可以采用较大容量的储能电容并对其进行快速充电，负载电流可达mA量级，为从设备提供了负载能力大、纹波小的高性能寄生电源；3、本发明中的单稳态电路采用RC微分型单稳态电路，结构简单，免去了繁琐的计算，方便调试。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的受控上拉电阻模块工作原理图；

图3是本发明的微分型单稳态电路原理图；

图4是本发明的寄生供电模块工作原理图；

图5(a)～(d)是本发明的主要电路工作原理波形示意图；

图中：1、受控上拉模块；2、寄生供电模块；11、单稳态电路；12、强上拉MOS开关管；13、弱上拉电阻；21、整流MOS开关管；22、储能电容。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种寄生供电方法的架构，包括受控上拉模块1和寄生供电模块2两部分。其中：受控上拉模块1包括单稳态电路11、强上拉开关管12以及弱上拉电阻13；寄生电源模块包括整流开关管21以及储能电容22；受控上拉模块受通讯数据线上的信号电平控制自动选择强上拉或弱上拉电阻，对寄生供电模块的储能电容充电，从而产生寄生电源对从设备进行供电。

受控上拉模块工作原理如图2所示：受控上拉模块1包含单稳态电路11、强上拉开关管12以及弱上拉电阻13，其中：单稳态电路11的输入端与通信数据线相连，单稳态电路11的输出端与强上拉开关管12的控制极相连，强上拉开关管12的另外两端与弱上拉电阻13的两端并联，一端与主设备的电源相连，另一端接到通信数据线。

本实施例中，单稳态电路采用微分型单稳态电路。其原理图如图3所示。当通信数据线没有电平变化时，单稳态电路输11出为0，此时强上拉MOS管12截至，通信数据线通过弱上拉电阻13与主电源相连。

当通信数据线上电平从0变化到1时，单稳态电路11将输出暂态，在单稳态电路11输出暂态期间，其输出电压超过强上拉MOS管12的阈值电压时，强上拉MOS管12将导通，此时通信数据线为强上拉状态，通过强上拉MOS管12与主电源相连。本实施例中，强上拉开关管选用低导通阻抗MOS管，以达到对储能电容22的快速充电作用并减小电源电压损失。

寄生供电模块工作原理如图4所示：寄生供电模块2包含整流开关管21和储能电容22，其中：寄生供电模块中整流开关管21的控制极接至通信数据线，整流开关管21的另外两端中的一端接至通讯数据线，另外一端与储能电容22的一端相连并从此端引出寄生电源；储能电容22的另一端接地。本实施例中，整流开关管21采用低导通阻抗MOS管，可以大大降低充电回路的阻抗，减少电压损耗，提高对储能电容22的充电效率。

本发明所述的主要电路工作原理波形示意图如图5所示：

其中，U1为通信数据线电压、U2为微分型单稳态电路11输出电压、U3为强上拉MOS管12输出电压、U4为储能电容22两端的电压。如图中U1所示，在t1-t2时间段内，当通信数据线上的电平变高时，单稳态电路11将输出暂态，其波形如U2所示。在单稳态电路输出暂态的期间，若其输出电压大于强上拉MOS管12的阈值电压，强上拉MOS管12将饱和导通一定时间，其波形图如U3所示。由于本例采用简单的RC微分型单稳态电路，无需采用复杂的单稳态电路。当强上拉MOS管12饱和导通后，主电源通过强上拉MOS管12和整流MOS管21对储能电容22充电，储能电容两端的电压如U4所示。由于MOS管导通阻抗降很低，因此，当受控上拉模块1处于强上拉状态时，可以对储能电容22进行短时间快速充电而补充电能，同时也保证了通信信号的稳定性，不会因为对电容充电时间过长引起脉冲畸变而干扰主从设备之间的数据通信。此外，为了使得从设备有足够的电能进行不间断工作，则需根据通信协议以及从设备的负载选择合适的储能电容。

以下提出一种分析本发明电路参数的方法：

假设电路工作在正常状态，且以常见的10位UART通信为例，极限情况是起始位为0，8个数据位全为0，停止位为1，不含校验位，根据本发明的设计方案，储能电容22只有在停止位出现时才能进行快速充电。若为从设备供电允许的纹波系数为10％，则在此条件下，电路要能正常工作，应有如下几点成立：

单稳态电路输出的暂态脉冲宽度tp必须小等于通信过程中一位数据的传送时间，考虑到双方通讯波特率存在误差以及单稳态电路中RC参数存在离散性，根据经验公式，在保证通信数据可靠的前提下应使得下式成立：

t_{p} = 0.8 \times \frac{1}{S}

储能电容22在两个停止位的时间间隔内最多只允许放电10％，放电性质为恒流放电，并在停止位出现之后的短暂的强上拉状态时，快速充电补充损失的电量。

由以上条件结合经验参数可以初步得到下列等式：

t p = R_{2} C_{1} l n (\frac{V_{u}}{V_{G S}}) = 0.8 \frac{1}{S} = 2 (R_{D S 1} + R_{D S 2}) C_{2}

I = \frac{(1 - K) V_{u} C_{2}}{[\frac{10}{S} - 2 (R_{D S 1} + R_{D S 2}) C_{2}]} \approx \frac{(1 - K) V_{u}}{23 (R_{D S 1} + R_{D S 2})}

其中，S为通信波特率；I为负载电流；Vu为主电源电压；K为设从设备允许的最低供电电压相对于主电源电压的系数；C2为储能电容；RDS1为强上拉MOS管的导通电阻；RDS2为整流MOS管的导通电阻；VGS为强上拉MOS管的阈值电压；C2为储能电容；R2和C1分别为单稳态电路中的电阻和电容。

显而易见，得益于受控上拉模块1和寄生供电模块2的设计方案，在受控上拉模块处1于强上拉状态时，可以实现对寄生供电模块2中储能电容22进行低阻抗的快速充电，储能电容22的取值可以适当增大，以提高寄生电源的负载能力，并降低电源的纹波系数。因此，本发明方案能提供一种高性能寄生供电电源。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims

1.一种寄生供电方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在主设备收发器与从设备收发器之间连接通讯数据线；

3)受控上拉模块通过通讯数据线上的信号电平控制自动选择强上拉或弱上拉电阻，对寄生供电模块的储能电容充电进而对从设备进行供电；

所述的步骤2)中的受控上拉模块包括单稳态电路、强上拉开关管以及弱上拉电阻；所述的单稳态电路的输入端与通讯数据线相连，单稳态电路的输出端与强上拉开关管的控制极相连，强上拉开关管的另外两端与弱上拉电阻的两端并联，并联后的一端与主设备的电源相连，另一端连接通信数据线；所述的寄生供电模块包括整流开关管以及储能电容；所述的整流开关管的控制极连接通信数据线，整流开关管的另外两端中的一端接至通讯数据线，另外一端与储能电容的一端相连并从此端引出寄生电源；储能电容的另一端接地。

2.如权利要求1所述的一种寄生供电方法，其特征在于：所述的步骤3)中通过通讯数据线对从设备供电的方法为：

3.如权利要求1所述的一种寄生供电方法，其特征在于：所述的单稳态电路由通讯数据线上的上升边沿触发自动控制电路的强上拉状态并将强上拉状态限制在一定时间内；所述的时间取决单稳态输出的暂态时间。

4.如权利要求2所述的一种寄生供电方法，其特征在于：所述的单稳态电路输出的暂态时间小于主、从设备之间传送最短的数据脉冲宽度；所述的脉冲宽度取决于双方通信的数据比特率S；所述的单稳态电路输出的暂态时间tp为：0.8/S≤tp＜1/S。

5.一种寄生供电结构，其特征在于：包括主、从设备收发器以及连接主、从设备收发器的通讯数据线；所述的主设备收发器端设置受控上拉模块以及主电源；所述的从设备收发器端设置寄生供电模块；所述的受控上拉模块通过通讯数据线上的信号电平控制自动选择强上拉或弱上拉电阻，对寄生供电模块的储能电容充电进而对从设备进行供电；所述的受控上拉模块包括单稳态电路、强上拉开关管以及弱上拉电阻；所述的单稳态电路的输入端与通讯数据线相连，单稳态电路的输出端与强上拉开关管的控制极相连，强上拉开关管的另外两端与弱上拉电阻的两端并联，并联后的一端与主设备的电源相连，另一端连接通信数据线；所述的寄生供电模块包括整流开关管以及储能电容；所述的整流开关管的控制极连接通信数据线，整流开关管的另外两端中的一端接至通讯数据线，另外一端与储能电容的一端相连并从此端引出寄生电源；储能电容的另一端接地。

6.如权利要求5所述的一种寄生供电结构，其特征在于：所述的单稳态电路为微分型单稳态电路。