电源常用通讯电路详解!

Release time:2024-04-17
author:AMEYA360
source:网络
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  一、常用的通讯方式

  在前面数字电源与模拟电源中有讲到,为了能够更好的实现数字电源的管理与控制,数字电源需要具备通讯功能。

  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RS485、RS232、CAN、TCP/IP以及I2C等。

  (一)通讯方式分类

电源常用通讯电路详解!

  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。①单工通讯中信息只能单向传输,收发端固定不变。②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。③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。①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。②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。

  (二)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。

电源常用通讯电路详解!

  二、通讯电路介绍

  (一)RS232RS-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。

  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。

  (二)RS485RS-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。

  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。

  (三)CANCAN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0V9CAN_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。

  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。

  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。

  (四)TCP/IPTCP/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。

  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。

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电源模块的概述及结构特点分析
  在现代电子设备和电气系统中,电源模块扮演着至关重要的角色。它不仅为各种电路提供稳定、可靠的电能,还能实现多种功能,比如电压转换、滤波、保护等。  电源模块的概述  电源模块,简称为“电源”或“电源单元”,主要任务是将输入的电能(交流或直流)转换为设备所需的直流电压形式,供应给各种电子电路。根据应用场景的不同,电源模块的设计也存在多样性,包括线性电源、开关电源、适配器和高压电源等。  主要功能  电压转换:将输入电压转换为所需的输出电压(如5V、12V、±15V等)。  稳压:保持输出电压的稳定性,避免因负载变化而引起的波动。  滤波:降低噪声和干扰,确保输出信号干净、稳定。  保护功能:过载保护、短路保护、过压保护和过温保护,保障设备安全。  隔离:实现输入和输出的电气隔离,增强安全性和稳定性。  分类  线性电源:结构简单,噪声低,响应快,但效率较低,体积较大。  开关电源:效率高、体积小、能量转换效率高,但设计复杂,可能引入电磁干扰(EMI)。  模块化电源:即插即用,易于维护和扩展。  电源模块的结构特点分析  电源模块的结构设计是保证其性能的关键,合理的结构布局能有效提升效率和可靠性。一般来说,电源模块由输入端、变换部分、滤波部分、控制部分以及输出端等几大部分组成,下面详述其结构特点。  1. 变换部分  核心变换部分主要是电感、电容、晶体管(包括MOSFET、晶闸管等)等元件组成的开关电路。它实现直流到直流(DC-DC)或交流到直流(AC-DC)的转换。开关电源中的开关元件通过高速开关控制实现能量的高效转换,具有高效率的特点。  2. 控制电路  控制电路负责调节开关元件的导通时间,以实现稳定的输出电压。这部分通常包括PWM控制器、反馈电路和比较器等。通过反馈系统,电源能实时监测输出电压变化,并调整开关频率和占空比,确保输出电压的稳定。  3. 滤波和保护电路  滤波电路包含各种电感和电容,用于降低输出电压中的纹波和噪声,提高信号质量。同时,保护电路如过载保护、短路保护、过压保护和热保护,保证电源在异常工作环境下安全稳定运行。这些保护措施既能延长电源的使用寿命,又能保障设备安全。  4. 隔离设计  在许多电源模块中,输入和输出采用电气隔离设计,如变压器隔离或光隔离。隔离结构不仅能有效保护用户安全,还能减少电磁干扰,提高电源的抗干扰能力。  5. 散热设计  电源模块在工作过程中会产生大量热量,为保证其稳定性和延长使用寿命,散热结构设计尤为重要。常见的措施包括散热片、风扇、散热孔等,确保芯片和关键元件温度控制在合理范围内。  6. 结构布局与体积  电源模块的结构布局应合理紧凑,减少信号路径长度,降低干扰和损耗。同时,现代电源追求微型化趋势,采用表面贴装技术(SMT)和多层PCB设计,有效实现体积缩小和性能优化。  电源模块作为电子设备的“动力系统”,其设计的优劣直接影响设备的性能和稳定性。理解其结构特点,有助于工程师进行合理选型和设计优化。
2025-06-04 13:39 reading:303
一文了解模拟、开关、数字电源的区别
  在电源设计中我们如何选择电源模块,那么选择的前提是,我们得了解各种电源,了解各种电源的区别,那样我们才可以正确的选择电源模块。  模拟电源介绍  模拟电源:即变压器电源,通过铁芯、线圈来实现,线圈的匝数决定了两端的电压比,铁芯的作用是传递变化磁场,主线圈在50HZ频率下产生了变化的磁场,这个变化的磁场通过铁芯传递到副线圈,在副线圈里就产生了感应电压,于是变压器就实现了电压的转变。  模拟电源的缺点:线圈、铁芯本身是导体,那么它们在转化电压的过程中会由于自感电流而发热(损耗),所以变压器的效率很低,一般不会超过35%。  音响器材功放中变压器的应用:大功率功放需要变压器提供更多的功率输出,那么,只有通过线圈匝数的增加、铁芯体积的增大来实现,匝数和铁芯体积的增加就会加重其损耗。所以,大功率功放的变压器必须做的非常大,这样就会导致:笨重,发热量大。  开关电源介绍  开关电源:在电流进入变压器之前,通过晶体管的开关功能,将我们通常50HZ的电流频率提升到数万HZ,在这么高的频率下,磁场变化频率也达到几万HZ,那么,就可以减少线圈匝数、铁芯体积获得同样的电压转化比,由于线圈匝数、铁芯体积的减少,损耗大大降低,一般开关电源效率达到90%,而体积可以做的非常小,并且输出稳定,所以开关电源具有模拟电源难以达到的优点。  (开关电源也有自己的不足,如输出电压有纹波及开关噪声,线性电源是没有的)  音响器材-功放中开关电源的应用:开关电源的描述过程中已经表明开关电源的优势,所以即使是大功率功放,开关电源一样可以做的很精细、小巧。  数字电源介绍  在简单易用、参数变更要求不多的应用场合,模拟电源产品更具优势,因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现,而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中,数字电源则更有优势。此外,在复杂的多系统业务中,相对模拟电源,数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用,其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数,优化电源系统。通过实时过电流保护与管理,它还可以减少外围器件的数量。  在复杂的多系统业务中,相对模拟电源,数字电源是通过软件编程来实现多方面的应用,其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数,优化电源系统。通过实时过电流保护与管理,它还可以减少外围器件的数量。  数字电源有用DSP控制的,还有用MCU控制的。相对来讲,DSP控制的电源采用数字滤波方式,较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。  数字电源有什么好处  首先它是可编程的,比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。另外,数字电源具有高性能和高可靠性,非常灵活。  干扰:单片机中数字和模拟之间,因为数字信号是频谱很宽的脉冲信号,因此主要是数字部分对模拟部分的干扰很强;不仅一般都采用数字电源和模拟电源分开、二者之间用滤波器连接,在一些要求较高的场合,例如某些单片机内部的 AD 转换器进行 AD 转换时,常常要让数字部分进入休眠状态,绝大部分数字逻辑停止工作,以防止它们对模拟部分形成干扰。如果干扰严重,甚至可以分别用两个电源,一般用电感和电容隔离就行了。也可以将整个板子上数字和模拟部分的电源分别联在一起,用分别的通路直接接到电源滤波电容的焊点上。如果对抗干扰要求不高,也可以随便接在一起。  温馨提示  (1)如果不使用芯片的 A/D 或者 D/A 功能,可以不区分数字电源和模拟电源。(2)如果使用了 A/D 或者 D/A,还需考虑参考电源设计。
2025-04-29 09:47 reading:419
一文了解电源管理集成电路损坏的原因
  电源管理集成电路(简称PMIC)是现代电子设备中不可或缺的组件,负责有效地管理电源分配、调节和监测。尽管PMIC设计得越来越先进,但在实际使用中,仍然可能因各种原因导致其损坏。以下是一些容易造成电源管理IC损坏的因素,希望对你有所帮助。  1.电源过压  定义  电源过压是指输入电压超出PMIC的额定范围。这种情况通常发生在电源故障、瞬态浪涌或不当使用电源适配器时。影响  绝缘击穿:过高的电压可能导致PMIC内部绝缘材料击穿,导致电路短路或永久性损坏。  热损坏:过压条件下,PMIC内部会产生更多热量,可能导致过热并损坏组件。  2.过载和短路  定义  过载指的是PMIC输出端口连接到超出其额定电流的负载,而短路则是电源输出端直接连接到接地,形成极低的电阻路径。  影响  高电流损伤:持续的过载会导致PMIC超出其设计能力,导致内部元器件发热及损坏。  瞬间短路损坏:短路会瞬间产生大量电流,可能导致PMIC内部的融化和烧坏。  3.温度过高  定义  PMIC在工作时产生热量,若环境温度过高或散热不良,会导致其温度超出设计极限。  影响  热失效:高温会使得PMIC的材料和连接结构发生变化,短时间内可能导致工作失效。  加速老化:持续高温会加速半导体材料的老化,导致性能下降或完全失效。  4.静电放电(ESD)  定义  静电放电是由于静电积聚并突然释放所致,PMIC在没有有效防护的情况下容易受到损坏。  影响  瞬时击穿:静电放电会在非常短的时间内施加高电压,可能导致PMIC中的绝缘层击穿或相邻电路损坏。  性能劣化:即使没有立即致命的损坏,静电也可能导致PMIC工作性能的长期下降。  5.反向电压  定义  反向电压是指电流按相反方向流动,这通常发生在电源接反或电池安装错误时。  影响  损坏内部电路:反向电压可能导致PMIC内部电路的失效,进而导致整体电源管理功能失常。  长期效果:即使短时间的反向电压也可能导致潜在的长期损伤,从而降低PMIC的可靠性。  6.设计错误与不当使用  定义  设计错误包括布线不当、缺乏必要的保护电路,以及忽视PMIC的电气特性。人为错误也可能导致不当连接或操作。  影响  识别失误:设计中如果忽略了输入和输出阻抗匹配,可能导致信号反射和过载。  不稳定性:缺乏适当保护电路(如过压、过流和过温传感器)可能导致设备在异常条件下运行,影响功率管理的安全性。  总结来说,电源管理IC在电子系统中发挥着关键作用,但其损坏可能会导致整个系统的故障。了解并预防潜在的损坏原因,包括电源过压、过载、温度过高、静电放电、反向电压及设计错误,将有助于提高PMIC的可靠性和耐用性。在设计和测试阶段考虑这些因素,对于确保电源管理IC的稳定性和性能至关重要。
2025-04-27 11:14 reading:544
14个经验技巧,教你学会电源设计!
  在电源设计领域中,经验的积累往往决定了产品的稳定性和可靠性。若是电子新人了解到一些实用的设计技巧,电源设计将事半功倍。下面将总结大佬的14条电源设计经验,以此提供参考和指导。  1电路设计经验  肖特基散热片连接:肖特基的散热片可以直接接到输出正极线路,从而省去绝缘垫和绝缘粒的使用。  RCD吸收元件选择:对于15W以上功率的电路,避免使用XX4007作为RCD吸收元件,因其速度慢、压降大,易导致高温失效。  输出滤波电容耐压:输出滤波电容的耐压值应至少符合1.2倍余量,以避免量产中的损坏现象。  卧式电容跳线布置:大电容或其他电容做成卧式时,底部如有跳线应放在负极电位,以节省成本并避免使用套管。  元件承认书描述:整流桥堆、二极管或肖特基等晶元大小元件,在承认书或BOM表中需明确描述,以管控供应商送货一致性。  Snubber电容选择:为处理异音问题,Snubber电容优先使用Mylar电容。  启动电阻保护:启动电阻如使用在整流前,需串联一颗几百K的电阻,以防电阻短路时损坏IC和MOSFET。  高压大电容并联:高压大电容并联一颗103P瓷片电容,对辐射30-60MHz有抑制作用,有助于EMI整改。  Y电容容量限制:使用的Y电容总容量不能超过222P,以避免漏电流影响,设计时需特别留意安规要求。  2电路调试经验  冷机启动电流:冷机时,PSR需1.15倍电流能开机,SSR需1.3倍电流能开机,以确保老化后启动良好。  异常测试:短路或开路某个元件后,如仍有输出电压,则需进行LPS测试,过流点不能超过8A。  3安规与测试经验  安规开壳样机准备:安规开壳样机所有可选插件元件需装上供拍照用,L、N线和DC线与PCB需点白胶固定。  EMS项目测试:进行EMS项目测试时,需测试至产品损坏为止,如ESD雷击等,并记录产品余量。  4变压器设计注意事项  变压器B值控制:反激拓扑结构中,变压器B值需小于3500高斯,以避免磁饱和导致的动作失控。需确认过流点、开机瞬间、输出短路、高温、高低压等状态下的磁饱和情况。
2025-04-21 16:20 reading:485
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