詳解如何設(shè)計(jì)XY·CN總線通信系統(tǒng)的電源系統(tǒng)？

XY·CN總線是一種低成本的、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是其無與倫比的節(jié)電優(yōu)勢，要發(fā)揮該優(yōu)勢，就要注意各部分的電源設(shè)計(jì)方法。總線電壓在12～36 V范圍系統(tǒng)均能正常工作，對(duì)不同的應(yīng)用可選用不同的工作電壓，本文將全面論述其系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)原理及方法。

1 總線電壓的選取

1.1 距離影響

標(biāo)準(zhǔn)XY001組成的從站接收電路的極限工作電壓為10.5 V，總線使用RVl.5雙絞線為介質(zhì)，其千米阻抗為30Q左右，我們只有考慮系統(tǒng)在最大工作電流下末端電壓大于10.5 V即可。如果供電時(shí)間比為3：5(有3/5的時(shí)間供申)，則總線電壓計(jì)算公式如下：

N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，L為雙絞線長的，Ii為i節(jié)點(diǎn)電流。

按以上公式，如果將所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備均安裝在2000 m處標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，總線最大輸出電流為：

(24—10.5)/(0.05*2C)00)=O.135(A)=135(mA)

也就是說標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)在監(jiān)視狀態(tài)下(130 mA)，可全部工作在2000 m處。該計(jì)算也可以看出，系統(tǒng)是不能這樣應(yīng)用的，因?yàn)樵O(shè)備動(dòng)作后會(huì)使靜態(tài)電流增大。

1.2 設(shè)備功耗影響

XY·CN總線為主機(jī)供電方式，為設(shè)計(jì)需要備電工作的系統(tǒng)提供了極大的方便。但一些系統(tǒng)功耗較大，這時(shí)總線電壓的選用就會(huì)完全考慮滿足系統(tǒng)對(duì)電源功率的要求。如食堂、快餐店售飯系統(tǒng)，消防的報(bào)警顯示系統(tǒng)，這些系統(tǒng)均需要為設(shè)備提供大的電壓功率。

為解決這種系統(tǒng)對(duì)電源功率的要求，我們可以選用36V系統(tǒng)，以售飯系統(tǒng)為例說明的功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：售飯機(jī)主要功耗是啟動(dòng)16只中型數(shù)碼LED，其驅(qū)動(dòng)最大電流達(dá)220 mA，啟動(dòng)射頻卡可采用與數(shù)碼管分時(shí)驅(qū)動(dòng)的辦法解決，因此按200 mA的平均電流計(jì)算。電源部分使用由MC34063芯片組成的低成本開關(guān)電源，按效率80%計(jì)算，25 V輸入電壓下(5 V為總線損耗)，輸入電流為200/((25/3)*0.8)=30 mA。將總電流控制在600mA之內(nèi)，每路總線可以安裝20臺(tái)售飯機(jī)。

注意：總線入口換向及隔離二極管采用1N5819肖特基二極管。

如果所有售飯機(jī)均在總線末端，要保持電壓25 V，使用RVl.5雙絞線該系統(tǒng)總線通信距離為5/(0.05*O.6)=160 m。

2 系統(tǒng)功率計(jì)算

2.1 輸入設(shè)備

多數(shù)的輸入設(shè)備直接使用XY001芯片的串聯(lián)穩(wěn)壓器供電，靜態(tài)功耗ISTAICT/O在O.6 mA左右，動(dòng)作指示后的最大功耗IMAXI/O為1.5 mA左右。

2.2 大功率控制設(shè)備

由于該類節(jié)點(diǎn)設(shè)備功耗較高，多采用3 V系統(tǒng)及開關(guān)穩(wěn)壓電源，因此其功率計(jì)算要考慮由于長距離總線降壓引起的電流變化，以24 V系統(tǒng)計(jì)算，2 km的供電最大壓降達(dá)12 V，平均壓降達(dá)6 V，因此其平均的開關(guān)電源輸入電壓為24—2(電路損耗)一6=16 V，如果3 V系統(tǒng)需要使用200 mA顯示電流，按開關(guān)電源效率80%計(jì)算，總線供電電流IPOW為3×200×80%/16=30 mA。

2.3 分時(shí)啟動(dòng)設(shè)備

由于設(shè)備是在控制器控制下分時(shí)啟動(dòng)，只計(jì)算同時(shí)可啟動(dòng)數(shù)量n的總電流n×ISIPTLME。

2.3.1 偶然啟動(dòng)設(shè)備

使用自備電的短時(shí)供電設(shè)備，如聲光訊響器，由于該設(shè)備動(dòng)作時(shí)不消耗總線能量，只需要計(jì)算其平均脈沖充電功耗ILITTIME即可。

2.3.2 系統(tǒng)總功率計(jì)算

主電功率一總線工作電壓×總線最大工作電流+控制器最大功率+充電功率。

備電容量一要求靜態(tài)工作時(shí)間×靜態(tài)功率+要求終止工作后最大功率工作時(shí)間×最大功率。

3 常用總線電壓的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XY·CN BUS系統(tǒng)備電設(shè)計(jì)非常簡便，只需要按系統(tǒng)對(duì)電源容量的要求總和在控制器上設(shè)計(jì)備電，因此低成本的大容量的鉛畜電池是備電的首選。

3.1 系統(tǒng)框圖

使用單輸出的AC開關(guān)電源與開關(guān)升壓電源輸出并聯(lián)作為電源輸出，因輸出并聯(lián)，不能使用同步整流器，避免二輸出相互影響。

鉛蓄電池的最高充電電壓要小于輸出電壓，這樣簡單的串聯(lián)開關(guān)恒流電路即可完成高效率充電。而備電穩(wěn)壓也只需要簡單的開關(guān)升壓穩(wěn)壓器即可，電壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單。

3.2 AC220V開關(guān)電源

完成交流到直流的電能轉(zhuǎn)換，電壓等于總線電壓，電流等于額定輸出電流的1.2倍。當(dāng)AC輸入電壓低于154V時(shí)，該電壓要輸出主電故障信號(hào)給控制電路，控制備電升壓電路工作，并在主電正常時(shí)關(guān)閉備電升壓，根據(jù)電池狀況對(duì)電池進(jìn)行充電。

3. 3 開關(guān)恒流充電電路

該電源以主電直流輸出為輸入，恒流為電池充電，系統(tǒng)可在單片機(jī)控制下進(jìn)行間歇式充電。還可以設(shè)計(jì)定期放電、充電，保證鉛蓄電池的壽命。

3.4 開關(guān)升壓電路

將電池電壓升壓穩(wěn)壓至電源輸出電壓，保證備電工作時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定。控制電路在電池電壓低于電池最低輸出電壓時(shí)自動(dòng)關(guān)閉升壓電路以保證電池不會(huì)過放電損壞。

3.5 電源控制

總線電源系統(tǒng)對(duì)電壓要求不高，紋波小于200 mV即可正常工作，因此使用單片機(jī)的A/D采樣加輸出PWM控制開關(guān)管及可滿足電源系統(tǒng)要求，該系統(tǒng)的電池升壓及恒流開關(guān)電源不會(huì)同時(shí)工作，因此使用PICl6F690及可滿足電源管理要求。

3.6 控制器控制電路電源

使用常用的LM3478完成隔離電源設(shè)計(jì)，參考電路如圖4。選擇不同的MOS管后該系統(tǒng)輸出功率可達(dá)10 W以上。

結(jié) 語

XY·CN總線的電源系統(tǒng)是總線穩(wěn)定工作的重要保證。對(duì)于這樣復(fù)雜的現(xiàn)場控制系統(tǒng)，其備電系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，是您選擇該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢。