一种高性能的寄生供电结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种高性能的寄生供电结构，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。本实用新型可以通过数据线为从设备供电，简化系统，降低系统成本；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。
【专利说明】一种高性能的寄生供电结构
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及寄生供电领域，尤其是一种利用主从设备之间的通讯数据线对从 设备进行供电的高性能寄生供电结构。
【背景技术】
[0002] 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。当系统 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 少了从设备外围器件，从而降低了系统成本。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。 实用新型内容
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是：提供一种结构简单，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高性能寄生供电结构。
[0004] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高性能的寄生供电结构， 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。
[0005] 具体的说，本实用新型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。
[0006] 本实用新型通过通讯数据线对从设备供电的方法为：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 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，本实用新型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。
[0011] 为保证通信数据可靠，本实用新型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：
[0012] ? =〇·8χ - p S
[0013] 本实用新型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： r 0-^)Fu
[0014] l ~ ---^~- ^3(RDS1 +RDS2)
[0015] 本实用新型所述的强上拉开关和整流开关管利用开关M0S管的低导通电阻特性， 能提供较大的负载电流。
[0016] 本实用新型只需在主、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。
[0017] 本实用新型的有益效果是，解决了【背景技术】中存在的缺陷，1、当系统采用寄生供 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 少了从设备外围器件，缩小了从设备的体积，降低系统成本，还方便系统在复杂条件下进行 扩展；2、本实用新型利用M0S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、本实用新型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。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0019] 图1是本实用新型的结构框图；
[0020] 图2是本实用新型的受控上拉电阻模块工作原理图；
[0021] 图3是本实用新型的微分型单稳态电路原理图；
[0022] 图4是本实用新型的寄生供电模块工作原理图；
[0023] 图5 (a)?（d)是本实用新型的主要电路工作原理波形示意图；
[0024] 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M0S开关 管；13、弱上拉电阻；21、整流M0S开关管；22、储能电容。
【具体实施方式】
[0025] 现在结合附图和优选实施例对本实用新型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实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关 的构成。
[0026] 如图1所示的一种高性能的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。
[0027] 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。
[0028] 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出为〇，此时强上拉M0S管12截至，通信数据线通 过弱上拉电阻13与主电源相连。
[0029] 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M0S管12的阈值电压时，强上拉M0S管12将导 通，此时通信数据线为强上拉状态，通过强上拉M0S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M0S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。
[0030] 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M0S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。
[0031] 本实用新型所述的主要电路工作原理波形示意图如图5所示：
[0032] 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 M0S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tl-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M0S管12的阈值电压，强上拉M0S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M0S管12饱和导通后，主电源通过强上拉M0S管12和整流 M0S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M0S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。
[0033] 以下提出一种分析本实用新型电路参数的方法：
[0034] 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 〇, 8个数据位全为0,停止位为1，不含校验位，根据本实用新型的设计方案，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：
[0035] 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：
[0036] tn =0.8χ - p S
[0037] 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。
[0038] 由以上条件结合经验参数可以初步得到下列等式：
[0039] tp = R2C] = 0.8 - = 2(Rrm + RixS2)^-2 ^ GS ^ j_ 0-^)K,c2 : {\-K)vu
[0040] [10 -2(i?rai +i?M2)C2] 23^?.vi + Rdsi) S
[0041] 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M0S管的导通电阻； RDS2为整流M0S管的导通电阻；VGS为强上拉M0S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。
[0042] 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，本实用新型方案能提供一种高性能寄生供电电源。
[〇〇43] 以上说明书中描述的只是本实用新型的【具体实施方式】，各种举例说明不对本实用 新型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，而不背离实用新型的实质和范围。
【权利要求】
1. 一种高性能的寄生供电结构，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。
2. 如权利要求1所述的一种高性能的寄生供电结构，其特征在于：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。
3. 如权利要求2所述的一种高性能的寄生供电结构，其特征在于：所述的单稳态电路 为微分型单稳态电路。
【文档编号】H02J7/00GK203850863SQ201420149068
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】房慧龙, 房淼森 申请人:常州信息职业技术学院