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微课堂丨科普篇:电源常用电路——通讯电路

森木磊石 2023-07-12 10:04 次阅读

在前几期课程中,小编已经带大家了解了数字电源的采样和PWM驱动电路原理。通过这些技术,数字电源可以在内部形成控制闭环。但是要实现电源的控制和管理,还是需要与数字控制核心建立通讯连接。

本期课程小编将带领大家去了解数字电源常用的通讯电路。无论您是想了解或是复习数字电源通讯电路,都请跟随小编一起来学习吧!

常用的通讯方式

在前面【数字电源浅析】中我们了解到,数字电源需要具备通讯功能,才能够更好的实现数字电源的管理与控制。

通过上位机软件,工程师能够设置电源参数并控制电源状态。但是由于数字电源控制核心输出的是TTL电平,与外围设备通讯时存在电平标准定义不一致的情况,因此需要电平转换芯片来实现两者间的数据交换。

数字电源中常用的通讯方式包括RS485RS232CAN、TCP/IP以及I2C等。

▍通讯方式分类

803e5a24-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg

通讯方式按照数据的传输方式分为串行通讯以及并行通讯。

▍并行通讯:以字节或字节倍数为传输单位进行传输,传输速度快但远距离时成本高,适合于近距离、大量和快速的信息交换场景。

▍串行通讯:又称为点对点通讯,通讯一次发送一位数据,线路少成本低,易于扩展,适合远距离传输,是目前最为常用的通讯方式。按照不同分类方式,串行通讯又可以分为以下几种:

1)按照通讯方向分为单工通讯、半双工通讯以及全双工通讯。

单工通讯中信息只能单向传输,收发端固定不变。

半双工通讯信息可双向传输,但发送与接收不能同时进行,通讯收发端可变,如对讲机就是典型的半双工通讯方式。

全双工通讯允许数据同时在两个方向上传输,在每一端都设置了发送器和接收器,并配置2根数据线进行信号传递。

2)按照数据同步方式可分为同步通讯与异步通讯。

同步通讯要求收发端的时钟频率一致,信息帧由同步字符、数据字符和校验字符(CRC)组成。

异步通讯时不要求收发端时钟同步,发送时间间隔不定,传输时应给字节加上开始位和停止位,以便接收端正确接收信息。

▍通讯方式对比

这里对数字电源中常用通讯方式进行了对比。

804a96ae-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg通讯电路介绍RS232

RS-232采用负逻辑电平,“0”电平电压范围为3~15V,“1”电平电压范围为-15~-3V,9引脚是目前主流的接口形态。

RS-232电平转换电路分隔离与非隔离两种。

其中非隔离型电路可利用三极管或非隔离电平转换芯片实现(如ADI公司的MAX232ESE、ADM232AARNZ 以及TI公司的MAX3232IDR等);而隔离型电平转换芯片有RSM232,ADI的ADM3251EARWZ以及Maxliner的 SP3232EEY等。

本文提供了一种典型的三极管电平转换电路以及RSM232的接口连接电路图。

8060ae62-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg三极管电平转换电路的工作原理分析:

通过二极管D1与电容C7的作用使得A点电压保持在-3V~-15V。

当TXD=1时,Q3截止,PCRXD电压与PCTXD电压相等,PCRXD=1;

当TXD=0时,Q3导通,则PCRXD电压约为+5V,PCRXD=0。

当PCTXD=1时,Q4截止,RXD电压约为5V,RXD=1;

当PCTXD=0时,Q4导通,RXD电压为0,RXD=0。

D2是为了防止Q4的BE反向击穿。

▍RS485

RS-485标准弥补了RS-232通讯距离短、速率低等缺点,数据信号采用差分传输方式,抗干扰能力强。

RS-485使用一对双绞线(A线与B线)进行数据传输,当AB线之间的电压差在-6~-2V范围内时表示“0”,当AB线之间的电压差在 +2~+6V范围内时表示“1”。

同时RS485在传输电缆的最远端需要连接匹配电阻,其阻值应等于传输电缆的特性阻抗,连接示意图如下。

80779a6e-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg

RS485电平转换芯片分为隔离与非隔离两种。

典型的非隔离型芯片有MAX3485、ADI公司的MAX13487EESA+T以及TI公司的SN75176BDR;常用的隔离型芯片有RSM3485PHT、TI公司的 ISO3082DWR以及 ISL32705E。

808e72e8-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg▍CAN

CAN总线通讯采用差分信号的形式进行数据传输。信号传输线分为CAN_H以及CAN_L。

总线上逻辑“0”表示显性,差分电压差约为2V(CAN_H=3.5V,CAN_L=1.5V);

逻辑“1”表示隐性,差分电压为0V(CAN_H=2.5V,CAN_L=2.5V)。

CAN采用数据帧的方式进行数据传递,标准的CAN数据帧结构如下图。

8099d4a8-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg

CAN通讯接口电路可分为隔离与非隔离两种。

非隔离电路是将控制核心的CAN接口与驱动IC的TX、RX直接连接,各节点之间没有电气隔离。

为了保证总线网络的通讯稳定性,CAN通讯接口通常会采用隔离结构。

隔离电路可以利用分立器件(如光耦)或采用集成器件(隔离型CAN收发器)实现。常用CAN通讯收发芯片有恩智浦的TJA1050T、 美国微芯的MCP2551T以及TI公司的ISO1050等。

80a8fa28-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg

以ISO1050为例。

芯片内部集成了电气隔离结构,同时采用隔离变压器对芯片两侧电源Vcc1与Vcc2进行隔离,确保芯片能够起到有效的隔离作用。

电路在芯片的电源端与接地端间连接有去耦合电容以降低干扰,并在CAN_H、CAN_L端与地之间并联TVS二极管起到快速电压保护作用。

▍TCP/IP

TCP/IP协议分为四个层次:链路层、网络层、传输层和应用层。

应用层包含了http、ftp等协议,传输层包含了TCP与UDP协议。网络层包含了IP协议,对数据加上IP地址和其他数据以确定传输目标。数据链路层为数据加上以太网协议首部,并进行CRC编码,为最后的数据传输做准备。

TCP/IP通讯可采用内嵌TCP/IP协议的以太网协议栈芯片(如W5500、 CH395、WT8266-S3)或采用交换机实现,目前数字电源中常采用后一种方式。

80c28240-2058-11ee-a579-dac502259ad0.jpg

数字电源常用通讯方式的通讯原理以及电路实现就介绍到这里了。讲过了采样电路、驱动电路、通讯电路,那我们的数字电源外围电路课程也就告一段落了。

接下来就是大家期待已久的拓扑篇啦,小编将对数字电源的常用电路拓扑一一为大家展开介绍,下一期我们将先对移相全桥电源的拓扑组成及工作原理进行讲解,干货满满哦!

今天就讲到这里,我们下期微课堂再见。

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