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基于电力电子电路拓扑的新型总线供电/通信技术
ANovelPoweredBusCommunicationtechniquebasedonPowerElectronicscircuitTopology
浙江大学吴建德何湘宁eewjd@zju.edu.cn
摘要：本文提出了一种新型的总线供电/通信电路的设计方法。该方法根据电力电子电路基本拓扑，推导相应的总线供电/通信电路。根据该方法设计了Buck型总线供电电路，实现了在单一总线上同时传输电源和信号。并对其工作原理，以及在连接传输线时的稳态和动态开关特性做了详细分析，给出了计算方法。最后通过实验电路验证了该方法的正确性。
Abstract:Thispaperpresentsanewmethodofdesigningnovelpoweredbuscircuits,whichtransmitpoweranddatathroughasinglebus.Thismethodisbasedonpowerelectronicstopologyandcaninducetofindoutapplicationcircuits.TheprincipleoftheBuck-typepowered-buscircuitisintroduced,andundertheconditionofconnectedbytransmissionline,thesteady-statecharacteristicsofthecircuitaswellasdynamicswitchingcharacteristicsareanalyzedindetail.Atlast,theeffectivenessofthismethodisverifiedbyexperimentalresult.
关键字：电力电子电路拓扑，总线供电，传输线，反射系数
Keywords：PowerElectronicscircuitTopology，PoweredBus，transmissionline，reflectioncoefficient

1引言
RS485、CAN等总线通信技术在各种分布式系统中得到广泛应用。相对于星型拓扑，采用总线拓扑能减少连线长度。RS485和CAN总线都采用平衡方式（差分方式）传输，能有效抑制共模干扰。但是，采用平衡方式通信并不能保证消除所有的共模干扰，只有当共模干扰的幅度在收发器的允许范围之内时，通过平衡方式防止共模干扰的方法才有效。当共模干扰的幅度超过收发器的允许范围后，通讯会出现误码；当共模干扰的幅度继续增大，还会损坏收发器。因此，在恶劣情况下，收发器的通讯端口需要加瞬态电压抑制器件（如TVS）保护，使收发器免遭损坏，但是并不能改善通讯质量。
分布式系统的设备供电方法有三种[1]：本地供电、集中供电和总线供电。本地供电指设备就近提供电源，这些电源一般由本地220V交流经一个AC/DC适配器后获得；集中供电一般采用电源线与通信线同时布线的方法，由统一的DC电源为设备提供电能。采用本地供电方法时，由于存在不同的电源提供电能，在不同的设备地之间会存在压差，这个电压差就表现为共模干扰作用于通讯总线。当不同设备地之间的压差突变时，在通讯线上产生的共模
干扰会非常严重。解决这个问题的一个方法是
增加一根导线连接各个设备的地线，这样就增加了布线。而集中供电且不对收发器电源隔离时，则不存在上述问题，但是由于电源线上有压降，并且线路也会受到外界干扰，在通讯线上也存在共模干扰。如果采用通信总线供电技术，因为电源地就是信号地，所以就不存在共模干扰问题。而在线路上引入的差模干扰，可以通过选择合适的双绞线作为传输线，以减少干扰幅度。
综上分析，采用本地供电容易受外界干扰；集中供电抗干扰性能较好，但布线需要连4根线；而采用总线供电不仅没有共模干扰问题，而且布线只需2根线。因此，采用适当的总线供电技术，不仅可以节省金属导线，也能提高系统可靠性。
2总线供电技术综述
现有的总线供电技术有以下几种：2.1电力线通信（PLC）技术
传统的电力线通信（PLC）一般指利用电力线路进行数据传输，包括高压线路的通信和低压线路的通信，其中利用低压电力线通信是当前通讯领域的研究热点之一。而根据调制波占用频段的范围，PLC技术又可分为窄带PLC和宽带PLC。在控制领域，一般采用窄带PLC

技术。[2]
由于电力线通信环境恶劣，为了提高电力线载波通信的可靠性，一般需要在调制方法和控制策略上做复杂的设计。但是如果将PLC技术应用于专用的总线（又称为直流PLC），可以通过对电源阻抗的特殊设计，获得较好的效果。文[4]在一个机器人的电源和各个传感器及执行电机之间，采用直流PLC方法设计了一种耦合电路以增大输出电流，同时实现数据的传输。但是不管采用哪种调制方法，直流PLC是一种模拟传输技术，需要较复杂的调制解调电路，不易小型化。
2.2IEC61158-2标准规定的总线供电方法[3]
IEC61158是现场总线的国际标准，于2007年发布了第四版本。IEC61158-2是现场总线的物理层标准，其中规定了总线供电的实现方法。其基本原理是：总线电源输出和总线节点输入都设计成电流源型，以增大总线的交流阻抗。需要发送的数字信号采用曼彻斯特编码（图1），以增量电流的形式发送到总线，由于总线的交流阻抗固定（由图2的两个100Ω末端电阻决定），增量电流信号在总线上产生电压脉冲叠加到总线。在接收站点，通过检测电压变化，对变化信号进行解码就能读取数据。
IEC61158-2总线供电的通讯方法与直流PLC的不同之处在于：PLC采用了载波调制，将发送信号的频谱搬移到其他频段，属于频带传输；IEC61158-2总线供电方法则是电源线基带调制，发送信号的频谱没有改变，属于基带传输。
与直流PLC相比，IEC61158-2总线收发电路不需要传统的模拟调制解调电路，只需较少的耦合电路、比较器和数字收发电路，配合控制软件就能实现通信功能。Profibus-PA、EIB和FF-H1等现场总线都采纳其作为物理层标准。但是，IEC61158-2总线供电的缺点是：电流型供电设计导致各节点的吸收电流不能突变，即不允许负载突变；每段总线能够提供的功率较小，一般在10W以内；总线能够支持的节点数较少等。因此，IEC61158-2总线供电技术仅在过程控制的仪表信号传输方面得到广泛应用，而在其他领域则应用较少。
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IB0+9mAIB0IB0-9mA
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图1IEC61158-2总线通信电流波形
图2IEC61158-2通信系统结构
2.31-Wirebus和M-bus
1-Wirebus是Dallas公司的一项专利技术
[5]
。其结构和电路非常简单（图3），包括一台
主机和多个从设备。主机可以采用任意一种MCU，在其IO口外接一个上拉电阻，即可输出作为总线。1-Wirebus的从设备通过总线获取电能，同时可以通过开关管M1将总线拉低。当总线短时间内为低电平时，电容C1维持对芯片的供电。1-Wirebus通过不同的低电平时间长度（即不同的脉冲宽度）定义“0”和“1”。主机或从设备均可发送和读取数据。
1-Wirebus的优点是电路非常简洁。缺点是能够提供的电流非常小，一般在mA级。所以1-Wirebus主要适用于采用低功耗芯片的远程数据采集，如分布式温度采集系统。
M-bus是另一种应用于仪表数据传输的总线供电技术。M-bus总线的供电和通信通过分时复用实现：供电时可提供较大电流，通信时主机降低总线的输出电压和电流，从而允许从

机拉低总线实现数据传输。M-bus相比1-wirebus能提供较大电流，但通信速率较低。

图31-Wirebus通信结构
综上所述，直流PLC技术电路相对复杂，能输出较大功率；IEC61158-2总线供电电路、1-Wirebus及M-bus属于数字传输，电路简单，但是输出功率较小。
3Boost型总线供电电路
1-Wirebus供电能力很弱，主要原因是受电阻R的限制，如果将电阻R改为电感L（图4），那么该电路的总线供电能力将得到极大提高。从修改后的电路可以看出，电感L与接口电路开关M1、二极管D1和电容C1构成了一个标准的Boost电路。
图4Boost型总线供电电路
图4的总线供电电路可以看成是Boost电路的一个演变：将Boost电路一分为二，电感L放置在主机（电源）部分，开关管M1和整流电
路放置在从机部分；中间的脉冲传输部分就是电源/通信总线。由于输出功率增大，原先主机上直接通过单片机IO口控制收发的电路不再适用，需要改为功率开关和比较接收电路。该电路在原理上非常简单，但是在实现时主机需要增加一些保护和滤波电路。此外，由于总线设备的所有电流都要通过开关管M1，因此M1的电流应力较大。
4Buck型总线供电电路
从Buck电路出发，以同样的方法设计一种总线供电电路：
（1）将Buck电路分为两个部分（图5），电源与开关管部分作为主机，其余部分作为从机，主机与从机之间的连线就是通信/电源总线。
（2）主机通信时序设计：不通信（空闲）时，M1开通，主机向从机供电。主机向从机发送数据时，以不同占空比的PWM信号表示数据“0”或“1”（图6），分别表示为D0和D1，其中D0>D1。
图5Buck型总线供电电路
图6主机发送数据定义
（3）从机发送数据电路
图5电路只能单向发送数据，要实现从机向主机发送数据，需要在从机部分对电路稍做

修改（图7）：增加开关管M2，使U0能够向总线回馈电压，同时为了防止L1断续后U0不受控地通过L1向总线回馈电压，需在L1支路上串接D2，这样该电路就具有双向信号传输功能。
图7具有数据回送功能的Buck型总线电路
（4）从机发送数据时序
从机发送数据的时序见图8，定义信号“1”的占空比D1=0.5，信号“0”的占空比D0=0.75。每次通信，主机发出“1”信号，即S1按D=0.5发送PWM信号，如从机发送“1”，则S2完全不动作；如从机发送“0”，则S2在t1时刻开通，此时总线电压Ubus=U0。主机或其他从机接收数据时，只需将总线电压与与一基准电压经比较器后输出，再判断占空比就可以读出数据。
图
8从机发送数据时序
（5）简化的Buck型总线供电电路
图7电路的一个缺点是输出电压U0随着数据不同而变化。根据Buck电路的特性，如果电感工作在断续区间，那么输出电压将会升高。所以可以将图7简化，取L1=0，这时续流二极管D1也可取消。简化后的系统电路如图9。这时U0受占空比的影响减少，接近于E1。该电路非常简洁实用。
图9简化的Buck型总线供电电路
5Buck型总线供电电路稳态分析
图9中，不考虑总线上的电压降，并且电容C1足够大，则负载输出电压U0=E1-VD2，其中VD2为二极管压降。如考虑传输线阻抗（图10），且电容C1足够大，通过计算可得负载输出电压：
U0=E1-VD2-I0Rbus/D（1）
其中I0为负载电流，Rbus为总线的直流回路电阻，D为总线输出的平均占空比。从式（1）可以看出，与直接供电相比，简化的Buck型总线供电电路的负载特性相当于总线回路电阻增大了1/D倍，等效电路如图11。因此，设计通信协议时，为了减少线路压降，在不影响通信的前提下，数据“0”和“1”的占空比应尽可能大。
图10考虑传输线阻抗时的Buck型总线供电电路
图11Buck型总线供电电源等效电路
6Buck型总线供电开关过程分析
总线供电电路的开关过程与传统电力电子电路的区别在于总线供电电路插入了一段传输线（图12），需要用传输线理论对开关过

程做进一步分析。
忽略从机的开关工作过程，仅分析主机开关S1动作时的总线电压波形。

图12Buck型传输线电路
（1）当M1在t0时刻开通，此时总线源端电流If（t0）=E1/Zc，其中Zc为传输线特征阻抗。经过td=L/v时间，到达总线负载端（其中L为传输线长度，v为传输线的传播速度），并在负载端产生反射波。设此时入射波为Ur（td），则反射波为ΓrUr（td），并且有：
Ur（td）+ΓrUr（td）=U0+VD2（2）[6]假设传输线无损耗，有Ur（td）=E1
所以ΓrUr（td）=U0+VD2-Ur（td）<0即Γr<0
而发射端反射系数：Γs=
-1根据传输线理论，Γr、
Γs符号相同时不会出现震荡[6]（即振铃效应）
。图13为Buck型总线供电电路开通波形，其中E1=24V，L=200m。从中可以计算得到特征阻抗约为80Ω。

图13Buck型总线供电开通波形
（E1=24V，L=200m）
（2）当M1在t1时刻关断，关断前总线电流：If（t1-）=I0/D，电压Uf（t1-）=E1,
此时的总线输出电压可以认为是源端发送电压与负载端反射电压之和，总线电流可以认为
是源端发送电流与负载端反射电流之差，即：
U（ft1-）=V（st1-）+V（rt1-）（3）（Ift1-）=I（st1-）-I（rt1-）（4）电压与电流的关系：
V（st1-）=I（st1-）Zc（5）V（rt1-）=I（rt1-）
Zc（6）计算得：
V（st1-）=[U（ft1-）+I（st1-）Zc]/2（7）V（rt1-）=[U（ft1-）-I（st1-）
Zc]/2（8）即：
V（st1-）
=（E1+I0Zc/D）/2（9）V（rt1-）
=（E1-I0Zc/D）/2（10）t1时刻M1关断后的t1+时刻，源端的发送电压和电流为零，而负载端的反射电压和电流保持不变，即：Vs（t1+）=0
V（rt1+）=V（rt1-）
=（E1-I0Zc/D）/2（11）
而负载端的反射电压和电流又会在源端产生新的反射，如主机开关管M1不附加任何吸收电路，则发射系数Γs=1，则总线源端输出的电压为：
U（ft1+）=V（rt1+）+ΓsV（rt1+）
（12）即：U（ft1+）
=E1-I0Zc/D（13）如主机总线输出增加吸收电阻Rs（图14），则反射系数：Γs=（Rs-Zc）/（Rs+Zc），总线源端输出的电压为：
U（ft1+）
=（E1-I0Zc/D）×Rs/（Rs+Zc）（12）从上式可知：当满足I0Zc/D=E1时，总线电压和电流实现匹配，此时下降沿光滑无尖刺（图15）；当负载电流过小，即I0Zc/D时，总线上会产生正向台阶，影响下降时间（图16）；当负载电流过大，即I0Zc/D>E1时，总线上会产生负脉冲，持续时间为2倍传播延时时间（图17，18）。

图14Buck型传输线电路增加吸收电阻Rs
负脉冲的存在限制了总线的供电能力，例如
E1=24V，Zc=80Ω，I0=2Α，D=0.5，Rs=∞时

脉冲幅度达到296V。如此高的电压不仅增加了开关管的电压应力，也会产生电磁干扰。因此在关断后的一段时间内，需要在总线上并入较小电阻或增加关断吸收电路，以抑制反向电压。但是，不管在总线上并联电阻或者加入吸收电路，都等效于减小了源端的反射系数。由于传输线负载端在二极管D2截止时，反射系数为1，如果源端的反射系数减小到负值，则会产生振铃现象，严重时会影响通讯。因此，如何抑制关断反向电压，同时不影响通信效果，还需要进一步研究。
图19为从机发送数据“0”的实际波形。从机的开通过程与主机类似，没有振铃现象。当主机开关M1重新开通后，从机开关M2才关闭，因此没有关断脉冲。

图15Buck型总线供电关断波形
（E1=24V，L=200m，D=0.5，R1=160Ω，Rs=110Ω）

图16Buck型总线供电关断波形
（E1=24V，L=200m，D=0.5，R1=10kΩ，Rs=80Ω）

图17Buck型总线供电关断波形
E1=24V，L=200m，D=0.5，R1=80Ω，Rs=110Ω）
图18Buck型总线供电关断波形
E1=24V，L=200m，D=0.5，R1=40Ω，Rs=110Ω）

图19从机发送“0”波形
（
（


7结论
本文给出了基于电力电子电路拓扑设计总线供电电路的方法，并针对Buck型总线供电电路做了详细分析。该方法在数据通信方式上，还有以下特点：
（1）属于同步通信。由于每位时间内均有一次信号跳变，这个跳变可以作为每个从机的通信同步信号。因而每个从机的通信时钟不需要非常精确。
（2）当多个从机或主机同时发送数据时，总线能实现“线与”逻辑。与CAN类似，在MAC层可以利用该特性实现数据帧的优先级仲裁。
（3）从机发送“0”时，虽然其开关管Q1开通，电容C向总线供电，但是不会向其他的从机模块供电，因而C和Q1可选择较小容量的器件。
Buck型总线供电电路结构简单、成本低廉，总线供电能力较强（24V供电时输出电流大于2A），在传感器网络、安防、监控、电力电子模块集成等领域具有广阔的应用前景。
参考文献
1鲍吉龙，叶平，“本质安全现场总线设备的供电”，微计算机信息，2005，21（12）：167-169
2曹惠彬，“电力线通信（PLC）技术综述”，电力系统通信，2004，25（1）：1-6
3IEC61158-2-2002，“FieldbusStandardForUseInIndustrialControlSystems-Part2：physicallayerspecificationandservicedefinition”，2002
4EricR.Wade，HaruhikoHarryAsada，“DesignofaBroadcastingModemforaDCPLCScheme”
IEEETRANSACTIONSONMECHATRONICS，2006，11(5：533-540
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6ClaytonR.Paul著，闻映红等译，电磁兼容导论（第二版）第四章，人民邮电出版社，2007
7JonasBerge著，陈小枫等译，过程控制现场总线，清华大学出版社，2003
8PROFIBUS-PA应用技术手册，SIEMENS公司
作者简介
吴建德：男，1973年生，讲师，博士研究生，研究方向为电力电子变流器控制与总线通信技术。何湘宁：男，教授，博士生导师。

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