CN108667308A - 一种用于m-bus供电的微功率隔离电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于M‑BUS供电的微功率隔离电源及其控制方法，本发明在现有BUCK降压电路中用反激式变压器代替原有电感，并通过滤波电路、采样电路、比较控制电路实现微功率隔离电源隔离稳压输出，为M‑BUS总线供电。本发明电路简单、实现成本低，并且输出电压稳定，借助BUCK电路的特点可实现宽输入电压范围，微小功率下低电流输入，同时满足宽电压低电流输入、低电压微小功率隔离稳压输出的要求，满足M‑BUS总线供电需求。

Description

一种用于M-BUS供电的微功率隔离电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及微功率隔离电源领域，特别涉及一种用于M-BUS供电的微功率隔离电源。
背景技术：
M-BUS是一种专门用于公共事业仪表的总线设计。M-BUS仪表总线可以满足由电池供电或远程供电的计量仪表的特殊要求。当计量仪表收到数据发送请求时，将当前测量的数据传送到主站，主站定期读取这些计量仪表传输的数据。图1为M-BUS与总线的框架结构示意图，因为M-BUS几乎只在终端测量仪器或计数器发送数据的时刻进行工作，将数据传送给总站，而在多数情况下M-BUS处于“待机”状态，故用于M-BUS的供电电路的工作特点多为：1、工作功耗低，一般在毫瓦级别；2、输入电流小，且要求空载功耗极低，以达到节能的目标；3、为避免M-BUS自身信号干扰影响终端计量仪表传输数据的准确性，一般要求输入端与输出端隔离；4、可满足宽电压输入要求，以满足长期工作时输入能量的减少导致的输入电压降低，延长M-BUS工作时间，其输入电压范围一般为6-12V左右，且要求输出电压稳压。
而根据M-BUS总线的以上工作特点，比较现有M-BUS终端的常用电源方案，可以发现，目前现有的电源拓扑方案难以同时满足以上多个要求，如：自激振荡推挽(Royer)电路拓扑可实现隔离输出且功耗小，却无法满足宽电压输入要求；普通反激式电路拓扑可实现宽电压输入，隔离输出，但因其本身损耗较大的缘故，无法将功率做到很小，且微、小功率下因效率更低，其输入电流其输入电流也难以降低。
现有技术常用BUCK降压电路做M-BUS终端的电源方案，现有的BUCK降压电路如图2所示，由开关管T、储能电感L、续流二极管D、滤波电容C1、C2组成，当开关管T的驱动为高电平，开光管T导通，储能电感L被充磁，流经储能电感L的电流线性增加，同时给电容C2充电，为输出提供能量；当开关管T的驱动为低电平时，MOS管TR1关断，储能电感L通过续流二极管D放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C2放电以及减小的电感电流维持；虽然现有BUCK降压电路拓扑可实现宽电压输入且功耗较小，但无法实现隔离输出，信号抗干扰能力差，精确度不高，也无法满足M-BUS终端电路的供电需求。
因此，有必要对现有技术进行改进。
发明内容：
有鉴如此，本发明提出一种用于M-BUS总线供电的微功率隔离电源，能够解决现有技术无法实现隔离输出、信号抗干扰能力差等存在的不足，同时，本发明还提供一种该微功率隔离电源对应的控制方法，此为本发明要解决的技术问题之二。
本发明通过以下技术方案实现：
一种用于M-BUS供电的微功率隔离电源，其特征在于：包括MOS管TR1、二极管D1、滤波电容C2和C3、变压器T1、滤波电路、采样电路、比较控制电路；变压器T1包括一个原边绕组和一个副边绕组；
MOS管TR1的漏极连接电容C2的一端，此连接点作为微功率隔离电源的输入正端，电容C2的另一端作为微功率隔离电源的输入地；MOS管TR1的源极连接二极管D1的阴极和变压器T1的原边绕组的同名端；MOS管TR1的栅极连接至比较控制电路的输出端；二极管D1的阳极连接微功率隔离电源的输入地，并引出作为微功率隔离电源的非隔离输出地；变压器T1的原边绕组的异名端引出作为微功率隔离电源的非隔离输出正端；滤波电容C3连接在微功率隔离电源的非隔离输出正端与非隔离输出地之间；
变压器T1的副边绕组连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端作为微功率隔离电源的隔离输出端；采样电路的输入端连接微功率隔离电源的非隔离输出正端，采样电路的输出端连接比较控制电路的输入端，比较控制电路的输出端连接MOS管TR1的栅极；
变压器T1用于将原边绕组的能量传输到副边绕组，并通过设置变压器T1线圈的匝数比值调节副边绕组输出的电压值；滤波电路用于将变压器T1副边绕组输出的电压进行整流滤波，得到一平滑的输出电压；采样电路用于采样微功率隔离电源的非隔离输出电压，并将采样信号送至比较控制电路；比较控制电路用于将采样信号和设定值进行比较，并在其输出端产生一驱动信号控制MOS管TR1导通及关断的时间。
优选地，滤波电路包括二极管D2和电容C1；二极管D2的阳极作为滤波电路的输入端，二极管D2的阳极连接变压器T1的副边绕组的异名端，二极管D2的阴极连接电容C1的一端，二极管D2与电容CI的连接点作为滤波电路的输出正端，亦作为微功率隔离电源的隔离输出正端；电容C1的另一端连接变压器T1的副边绕组的同名端，此节点作为滤波电路的输出地，亦作为微功率隔离电源的隔离输出地。
优选地，采样电路由电阻R1和电阻R2串联组成；电阻R1的一端作为采样电路的输入端连接微功率隔离电源的非隔离输出正端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端连接微功率隔离电源的输入地，电阻R1和电阻R2的串联点作为采样电路的输出端。
优选地，比较控制电路包括比较放大器IC2以及控制芯片IC1，比较放大器IC2的反向输入端作为比较控制电路的输入端，比较放大器IC2的同相输入端连接基准电压，比较放大器IC2的输出端连接控制芯片IC1，芯片TC1的控制输出端作为比较控制电路的输出端。
优选地，非隔离输出端的电压与隔离输出端的电压之比等于变压器T1的原边绕组与副边绕组的线圈匝数之比。
为解决上述第二个技术问题，本发明通过以下技术措施实现：
一种上述微功率隔离电源的控制方法，比较控制电路将采样信号与设定值进行比较，当采样信号高于设定值(即非隔离输出端或隔离输出端的电压偏高)时，控制芯片IC1控制MOS管TR1导通的时间减小，输出占空比降低从而使得微功率隔离电源的非隔离输出端或隔离输出端的电压降低；当采样信号低于设定值(即非隔离输出端或隔离输出端的电压偏低)时，控制芯片IC1控制MOS管TR1导通的时间增加，输出占空比增大，从而使得微功率隔离电源的非隔离输出端和隔离输出端的电压上升，实现微功率隔离电源的非隔离输出端和隔离输出端的稳压输出。
与现有技术相比，本发明具有如下的显著效果：
1、本发明可同时实现宽电压低电流输入，低电压微小功率隔离稳压输出；非常适合为M-BUS***的终端供电；
2、本发明电路设计、计算与实现方法简单可行；
3、本发明可同时实现一路隔离输出，一路非隔离输出，且两路输出电压值均可独立设置，方便使用者选择使用；
4、本发明可采用MOS管内置的整体控制IC实现，空载功耗更低，产品体积更小，且可靠性高，高低温性能优越。
附图说明：
图1为M-BUS总线与主站配合工作的框架结构示意图；
图2为现有技术BUCK降压电路的原理图；
图3为本发明应用的电路原理图；
图4为本发明应用电路的电压、电流时序图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图3为本发明应用的电路原理图，图4为本发明应用电路的电压、电流时序图,本实施例的电路组成如下：
功率器件：MOS管TR1、电容C2、电容C3、二极管D1、变压器T1：原边绕组、副边绕组；
滤波电路：二极管D2、电容C1；
采样电路：电阻R1、电阻R2；
比较控制电路：比较放大器IC2、控制芯片IC1。
本实施例完整的连接关系为：
电容C2的两端分别作为微功率隔离电源的输入正端和微功率隔离电源的输入地，微功率隔离电源的输入正端依次经过MOS管TR1的漏极、MOS管TR1的源极、变压器T1原边绕组的同名端、变压器T1原边绕组的异名端引出作为微功率隔离电源的非隔离输出正；MOS管TR1的源极与变压器T1原边绕组的同名端的连接点经过二极管D1的阴极、二极管D1的阳极连接至微功率隔离电源的输出地，并引出作为微功率隔离电源的非隔离输出地；电容C3并联在微功率隔离电源的非隔离输出正端和非隔离输出地之间；微功率隔离电源的非隔离输出正端依次经过电阻R1、电阻R2连接至微功率隔离电源的输入地，电阻R1和电阻R2的串联点作为采样电路的输出端连接至比较放大器IC2的反向输入端，比较放大器IC2的同相输入端连接基准电源Ref，比较放大器IC2的输出端连接至控制芯片IC1的输入端，控制芯片的输出端连接MOS管TR1的栅极；变压器T1副边绕组的异名端经过二极管D2的阳极、二极管D2的阴极引出作为微功率隔离电源的隔离输出正端，变压器T1副边绕组的同名端引出作为微功率隔离电源的隔离输出地，电容C1并联在微功率隔离电源的输出正和微功率隔离电源的输出地之间。
结合图3及图4，本发明的工作原理说明如下：
当MOS管TR1导通时，二极管D1处于截止状态。MOS管TR1、变压器T1原边绕组、非隔离端输出端的负载三者构成电流回路，二极管D1的两端承受电源输入电压的压降。此时变压器T1的原边绕组储能，同时并向电容C3进行充电，且因为变压器T1的副边绕组与原边绕组的同名端为反向，此时副边绕组的异名端电平为负，副边绕组的同名端电平为正，使得二极管D2截止，此时电容C1放电为微功率隔离电源的隔离输出端提供电源隔离电压Vo1。
当MOS管TR1关断时，根据电感电流不能突变的原理，变压器T1的原边绕组感应出一个与原边绕组的同名端反向的电动势，即，此时变压器T1的原边绕组的异名端电平为正，变压器T1的原边绕组的同名端电平为负，此时二极管D1导通，变压器T1的原边绕组、二级管D1、非隔离端输出负载三者构成电流回路，此时变压器T1的原边绕组去磁，为微功率隔离电源的非隔离输出端提供电源非隔离电压Vo2。因变压器T1的副边绕组与原边绕组的同名端为反向，此时，变压器T1的副边绕组的异名端电平为正，副边绕组的同名端电平为负，使得二极管D2导通，此时，二极管D2、变压器T1副边绕组、隔离输出端输出负载构成了电流回路，此时变压器T1的副边绕组去磁，为微功率隔离电源的隔离输出端提供电压，并经过滤波电容C1整流滤波后引出，输出电源隔离电压Vo1。
采样电阻R1、R2的作用是采样微功率隔离电源的非隔离输出端电压Vo2并将采样电压信号发送至比较放大器IC2的反向输入端，比较放大器IC2将采样电压信号与设定的基准电压信号进行比较，并输出控制信号至控制芯片IC1的输入端；控制芯片IC1依据控制信号输出占空比驱动信号，控制电路中MOS管工作的导通与断开的时间(即占空比)，以实现微功率隔离电源的非隔离输出端和隔离输出端的稳压输出。
当采样信号高于设定值(即非隔离输出端或隔离输出端的电压偏高)时，控制芯片IC1控制MOS管TR1导通的时间减小，输出占空比降低从而使得微功率隔离电源的非隔离输出端或隔离输出端的电压降低；当采样信号低于设定值(即非隔离输出端或隔离输出端的电压偏低)时，控制芯片IC1控制MOS管TR1导通的时间增加，输出占空比增大，从而使得微功率隔离电源的非隔离输出端和隔离输出端的电压上升。
此时，微功率隔离电源实现了两路输出，一路为隔离输出，一路为非隔离输出，且变压器T1的原边绕组的电压为微功率隔离电源的非隔离电压Vo2，根据变压器的特性，可通过调节变压器原边绕组和副边绕组匝比“Np：Ns”(Np：Ns＝Vo2：Vo1)，从而可以设置微功率隔离电源的隔离电压值Vo1。
本发明同时具备BUCK降压电路所具有的宽电压输入、低电压稳压输出的特点，再通过采用反激变压器的设计，并通过采用采样电路、比较控制电路、控制电路的共同作用下在微小功率条件下本发明可同时满足宽电压低电流输入、低电压微小功率隔离稳压输出的要求，从而更适应M-BUS的供电需求。
另外，本实施例电路MOS管TR1、控制芯片IC1及比较放大器IC2可通过集成电路技术集成为一个整体控制芯片，以实现更低的空载功耗，可降低微小输出功率下产品的输入电流。
以上本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，例如，用现有的滤波电路代替实施例一中的滤波电容C1、C2、C3、用现有的控制电路代替实施例一中的采样控制电路等等，也能实现本发明的目的，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种用于M-BUS供电的微功率隔离电源，其特征在于：包括MOS管TR1、二极管D1、滤波电容C2和C3、变压器T1、滤波电路、采样电路、比较控制电路；变压器T1包括一个原边绕组和一个副边绕组；
MOS管TR1的漏极连接电容C2的一端，此连接点作为微功率隔离电源的输入正端，电容C2的另一端作为微功率隔离电源的输入地；MOS管TR1的源极连接二极管D1的阴极和变压器T1的原边绕组的同名端；MOS管TR1的栅极连接至比较控制电路的输出端；二极管D1的阳极连接微功率隔离电源的输入地，并引出作为微功率隔离电源的非隔离输出地；变压器T1的原边绕组的异名端引出作为微功率隔离电源的非隔离输出正端；滤波电容C3连接在微功率隔离电源的非隔离输出正端与非隔离输出地之间；
变压器T1的副边绕组连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端作为微功率隔离电源的隔离输出端；采样电路的输入端连接微功率隔离电源的非隔离输出正端，采样电路的输出端连接比较控制电路的输入端，比较控制电路的输出端连接MOS管TR1的栅极；
变压器T1用于将原边绕组的能量传输到副边绕组，并通过设置变压器T1线圈的匝数比值调节副边绕组输出的电压值；滤波电路用于将变压器T1副边绕组输出的电压进行整流滤波，得到一平滑的输出电压；采样电路用于采样微功率隔离电源的非隔离输出电压，并将采样信号送至比较控制电路；比较控制电路用于将采样信号和设定值进行比较，并在其输出端产生一驱动信号用于控制MOS管TR1导通及关断的时间。
2.根据权利要求1所述的微功率隔离电源，其特征在于：滤波电路包括二极管D2和电容C1；二极管D2的阳极作为滤波电路的输入端，二极管D2的阳极连接变压器T1的副边绕组的异名端，二极管D2的阴极连接电容C1的一端，二极管D2与电容CI的连接点作为滤波电路的输出正端，亦作为微功率隔离电源的隔离输出正端；电容C1的另一端连接变压器T1的副边绕组的同名端，此节点作为滤波电路的输出地，亦作为微功率隔离电源的隔离输出地。
3.根据权利要求2所述的微功率隔离电源，其特征在于：采样电路由电阻R1和电阻R2串联组成；电阻R1的一端作为采样电路的输入端连接微功率隔离电源的非隔离输出正端，电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端连接微功率隔离电源的输入地，电阻R1和电阻R2的串联点作为采样电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的微功率隔离电源，其特征在于：比较控制电路包括比较放大器IC2以及控制芯片IC1，比较放大器IC2的反向输入端作为比较控制电路的输入端，比较放大器IC2的同相输入端连接基准电压，比较放大器IC2的输出端连接控制芯片IC1，芯片TC1的控制输出端作为比较控制电路的输出端。
5.根据权利要求4所述的微功率隔离电源，其特征在于：非隔离输出端的电压与隔离输出端的电压之比等于变压器T1的原边绕组与副边绕组的线圈匝数之比。
6.根据权利要求1至5任一所述的微功率隔离电源的控制方法，其特征在于：比较控制电路将采样信号与设定值进行比较，当采样信号高于设定值(即非隔离输出端或隔离输出端的电压偏高)时，控制芯片IC1控制MOS管TR1导通的时间减小，输出占空比降低从而使得微功率隔离电源的非隔离输出端或隔离输出端的电压降低；当采样信号低于设定值(即非隔离输出端或隔离输出端的电压偏低)时，控制芯片IC1控制MOS管TR1导通的时间增加，输出占空比增大，从而使得微功率隔离电源的非隔离输出端和隔离输出端的电压上升，实现微功率隔离电源的非隔离输出端和隔离输出端的稳压输出。
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