可集成的总线供电电路的制作方法

本实用新型涉及总线供电技术领域，尤其涉及总线供电的集成化技术领域，具体是指一种可集成的总线供电电路。

背景技术：

总线供电技术中，主机和一定数量的从机(以不同的ID确认)通过两根电缆相连接，所有的从机都并联连接在总线上，并且通过总线获取电源，同时，总线也作为主机与从机相互通信的信号线。主机向从机发送数据时采用的是总线电压调制的方法，即改变总线电压值来传输数据；而从机向主机发送数据时采用的则是总线电流调制的方法，即从机通过从总线上额外抽取一定值的电流来传输数据。通过总线供电及通信，可对相关数据或信号进行集中采集传至主机，可以使所有从机设备无需配备电池，无需另行布接电源，安装维护成本低，环保无污染。

由于总线上会带有较多的从机电路，当所有从机电路处于重负载状态下(如启动时)，将会导致总线电流有非常大的冲击，从而对主机的驱动能力有较高要求，影响主机使用寿命，因此现有技术中，连接在总线上的从机芯片，有些使用专用芯片来实现电源及电流控制的接口，但这样会导致总体的成本较高；有些使用分立元件搭建从机芯片与总线间的接口，通常主要由恒流源模块、稳压模块、接收与恒流发送模块构成，需要用到多个三极管、稳压管和若干电阻。

现有技术中总线供电的从机电路实现方式如图1所示，其中Lp和Ln分别为总线正极线和负极线，对于不分极性的总线则需要通过整流模块转换为图中的总线正极线Lp和总线负极线Ln。图1中电路可划分为以下几个部分：

1)恒流源模块：通过恒流源模块产生恒定的电流Inormal，在总线供电且从机不向主机发送数据的情况下，总线电流Ibus约为Inormal；

2)稳压模块：利用稳压管D36的击穿电压再经一级LDO产生从机芯片电源VDD；

3)接收及恒流发送模块：用于实现与总线通信的功能，接收模块用来检测总线上电平的变化来识别主机发送的数据；恒流发送模块通过抽取恒定的电流Idelta来向主机发送数据，此时总线电流Ibus约为Inormal+Idelta，主机通过检测该电流增量来识别数据；

4)从机芯片：从机芯片实现从机电路的功能并控制接收和发送。

总体来说，现有技术主要存在以下三个问题：一、若用专用芯片或分立元件搭建，成本均较高，而若集成在从机芯片中则对工艺要求比较苛刻，不利于集成；二、采用恒流源时，存在恒流值非常难确定和把握的问题，只适用于一些功耗一直比较均匀和稳定的从机电路，并不适应于从机电路的功耗具有周期性并且在某些特殊情况下功耗会突然增大的情况(如烟雾检测电路在报警时)，并且采用恒流源还存在从机电路启动速度(影响工厂生产时的工厂编码速度)和能量使用率二者之间的矛盾；三、通常稳压模块利用稳压管再经一级LDO来产生从机电源(或直接用稳压管的击穿电压作为从机电源，但这样产生的电源特性将更差)，这不仅结构复杂，而且将导致从机电源受限于稳压管的特性，受限于工艺条件，不能广泛适用于对电源要求各异的各类从机电路。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种可直接集成的总线供电电路。

为了实现上述目的，本实用新型中可集成的总线供电电路具有如下构成：

该可集成的总线供电电路，包括限流源模块、LDO模块、功能模块、接收及恒流发送模块和第二二极管，所述的限流源模块分别与总线负极线Ln、所述的第二二极管的负极、所述的接收及恒流发送模块和所述的LDO模块相连接，所述的LDO模块分别与所述的功能模块和所述的接收及恒流发送模块相连接，所述的功能模块与所述的接收及恒流发送模块相连接，所述的第二二极管的正极与总线正极线Lp相连接。

较佳地，所述的限流源模块包括第二P型MOS管、第三P型MOS管、第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管、第三电阻、第四电阻、第二稳压管和偏置产生电路，所述的第三电阻的第一端分别与所述的第二二极管的负极、所述的第四电阻的第一端、所述的第二P型MOS管的源极、所述的第三P型MOS管的源极和所述的接收及恒流发送模块的第一端相连接，所述的第三电阻的第二端分别与所述的第二稳压管的负极和所述的第一N型MOS管的栅极相连接，所述的第二稳压管的正极分别与所述的总线负极线Ln、所述的第三N型MOS管的源极、所述的偏置产生电路的第三端、所述的LDO模块、所述的功能模块的第二端和所述的接收及恒流发送模块的第二端相连接，所述的第一N型MOS管的漏极与所述的第四电阻的第二端相连接，所述的第一N型MOS管的源极与所述的第二N型MOS管的栅极、所述的偏置产生电路的第一端、所述的LDO模块、所述的功能模块的第一端和所述的接收及恒流发送模块的第一端相连接，所述的第二P型MOS管的漏极分别与所述的第二P型MOS管的栅极、、所述的第二N型MOS管的漏极和所述的第三P型MOS管的栅极相连接，所述的第三P型MOS管的漏极与所述的LDO模块相连接，所述的第二N型MOS管的源极与所述的第三N型MOS管的漏极相连接，所述的第三N型MOS管的栅极与所述的偏置产生电路的第二端相连接。

更佳地，所述的限流源模块还包括第三二极管，所述的第三二极管的正极与所述的第一N型MOS管的源极相连接，所述的第三二极管的负极与所述的第二N型MOS管的栅极相连接。

更佳地，所述的偏置产生电路包括第四P型MOS管、第五P型MOS管、第四N型MOS管、第五N型MOS管、第二运算放大器和第五电阻，所述的第五电阻为可调电阻，所述的第二运算放大器的正向输入端接带隙基准电压，所述的第二运算放大器的反向输入端分别与所述的第五N型MOS管的源极和所述的第五电阻的第一端相连接，所述的第二运算放大器的正电源端分别与所述的第五P型MOS管的源极和第四P型MOS管的源极相连接，所述的第二运算放大器的输出端与所述的第五N型MOS管的栅极相连接，所述的第五电阻的第二端与所述的第四N型MOS管的源极相连接并接总线负极线Ln，所述的第五N型MOS管的漏极分别与所述的第五P型MOS管的漏极、所述的第五P型MOS管的栅极和所述的第四P型MOS管的栅极相连接，所述的第四P型MOS管的漏极分别与所述的第四N型MOS管的漏极和所述的第四N型MOS管的栅极相连接并输出偏置电压。

更进一步地，其特征在于，所述的LDO模块包括带隙基准产生电路、第一运算放大器、第一P型MOS管、第一电阻、第二电阻和第二电容，所述的带隙基准产生电路的第一端分别与所述的偏置产生电路的第一端、所述的第一P型MOS管的漏极、所述的第二电阻的第一端和所述的第二电容的第一端相连接，所述的带隙基准产生电路的第二端与所述的第一运算放大器的反向输入端线连接，所述的带隙基准产生电路的第三端分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第二电容的第二端和所述的偏置产生电路的第二端相连接，所述的第一运算放大器的同向输入端分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第二电阻的第一端相连接，所述的第一运算放大器的正电源端分别与所述的第三P型MOS管的漏极和所述的第一P型MOS管的源极相连接，所述的第一运算放大器的输出端与所述的第一P型MOS管的栅极相连接。

更进一步地，所述的第二电阻为可调电阻。

采用了该实用新型中的可集成的总线供电电路，更易于集成，适应于目前最广泛应用的CMOS工艺，成本低；从机启动时电流的限制值Ilimit1与正常工作时的电流限制值Ilimit2可以分别设置。因此可以满足对总线冲击电流进行限制的要求，满足快速启动进行工厂编码的要求，而又不造成能量的浪费；Ilimit2的值可以通过配置寄存器调整到适应于当前负载需求的值，如果没有CPU等控制器而不能时时调整，由于限流源的特性，设计Ilimit2＝从机的峰值负载时，既可以满足从机的带负载能力，也不会产生能量的浪费；为功能模块提供的电源VDD具有很好的一致性及温度特性，具体值可以通过R1、R2的比例进行设计，不受工艺因素的影响，使得从机电路可以实现高精度的计量或检测特性，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1为现有技术的电路结构示意图。

图2为本实用新型的可集成的总线供电电路的电路结构示意图。

图3为本实用新型的可集成的总线供电电路的一种实施方式的示意图。

图4为本实用新型的可集成的启动时各参数变化示意图。

图5为本实用新型的可集成的总线供电电路的可选的实现方式的示意图。

图6为本实用新型的可集成的总线供电电路的偏置产生电路的结构示意图。

图7为本实用新型与现有技术工作模式对比示意图。

图8为本实用新型的可集成的总线供电电路的另一种可选的实现方式的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

该可集成的总线供电电路，包括限流源模块、LDO模块、功能模块、接收及恒流发送模块和第二二极管，所述的限流源模块分别与总线负极线Ln、所述的第二二极管的负极、所述的接收及恒流发送模块和所述的LDO模块相连接，所述的LDO模块分别与所述的功能模块和所述的接收及恒流发送模块相连接，所述的功能模块与所述的接收及恒流发送模块相连接，所述的第二二极管的正极与总线正极线Lp相连接。

在一种较佳的实施方式中，所述的限流源模块包括第二P型MOS管、第三P型MOS管、第一N型MOS管、第二N型MOS管、第三N型MOS管、第三电阻、第四电阻、第二稳压管和偏置产生电路，所述的第三电阻的第一端分别与所述的第二二极管的负极、所述的第四电阻的第一端、所述的第二P型MOS管的源极、所述的第三P型MOS管的源极和所述的接收及恒流发送模块的第一端相连接，所述的第三电阻的第二端分别与所述的第二稳压管的负极和所述的第一N型MOS管的栅极相连接，所述的第二稳压管的正极分别与所述的总线负极线Ln、所述的第三N型MOS管的源极、所述的偏置产生电路的第三端、所述的LDO模块、所述的功能模块的第二端和所述的接收及恒流发送模块的第二端相连接，所述的第一N型MOS管的漏极与所述的第四电阻的第二端相连接，所述的第一N型MOS管的源极与所述的第二N型MOS管的栅极、所述的偏置产生电路的第一端、所述的LDO模块、所述的功能模块的第一端和所述的接收及恒流发送模块的第一端相连接，所述的第二P型MOS管的漏极分别与所述的第二P型MOS管的栅极、、所述的第二N型MOS管的漏极和所述的第三P型MOS管的栅极相连接，所述的第三P型MOS管的漏极与所述的LDO模块相连接，所述的第二N型MOS管的源极与所述的第三N型MOS管的漏极相连接，所述的第三N型MOS管的栅极与所述的偏置产生电路的第二端相连接。

在一种更佳的实施方式中，所述的限流源模块还包括第三二极管，所述的第三二极管的正极与所述的第一N型MOS管的源极相连接，所述的第三二极管的负极与所述的第二N型MOS管的栅极相连接。

在一种更佳的实施方式中，所述的偏置产生电路包括第四P型MOS管、第五P型MOS管、第四N型MOS管、第五N型MOS管、第二运算放大器和第五电阻，所述的第五电阻为可调电阻，所述的第二运算放大器的正向输入端接带隙基准电压，所述的第二运算放大器的反向输入端分别与所述的第五N型MOS管的源极和所述的第五电阻的第一端相连接，所述的第二运算放大器的正电源端分别与所述的第五P型MOS管的源极和第四P型MOS管的源极相连接，所述的第二运算放大器的输出端与所述的第五N型MOS管的栅极相连接，所述的第五电阻的第二端与所述的第四N型MOS管的源极相连接并接总线负极线Ln，所述的第五N型MOS管的漏极分别与所述的第五P型MOS管的漏极、所述的第五P型MOS管的栅极和所述的第四P型MOS管的栅极相连接，所述的第四P型MOS管的漏极分别与所述的第四N型MOS管的漏极和所述的第四N型MOS管的栅极相连接并输出偏置电压。

在一种更进一步的实施方式中，其特征在于，所述的LDO模块包括带隙基准产生电路、第一运算放大器、第一P型MOS管、第一电阻、第二电阻和第二电容，所述的带隙基准产生电路的第一端分别与所述的偏置产生电路的第一端、所述的第一P型MOS管的漏极、所述的第二电阻的第一端和所述的第二电容的第一端相连接，所述的带隙基准产生电路的第二端与所述的第一运算放大器的反向输入端线连接，所述的带隙基准产生电路的第三端分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第二电容的第二端和所述的偏置产生电路的第二端相连接，所述的第一运算放大器的同向输入端分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第二电阻的第一端相连接，所述的第一运算放大器的正电源端分别与所述的第三P型MOS管的漏极和所述的第一P型MOS管的源极相连接，所述的第一运算放大器的输出端与所述的第一P型MOS管的栅极相连接。

在一种更进一步的实施方式中，所述的第二电阻为可调电阻。

本实用新型着眼于上述现有技术的问题提出了解决方案，目的是提出一种低成本的，可直接集成在从机芯片内部的总线供电实现电路，既可以满足对总线冲击电流进行限制的要求，满足从机电路峰值负载的要求，满足快速启动进行工厂编码的要求，而又不造成能量的浪费，并且用简单的电路结构产生适用于各类功能模块的精准电源，达到精准的检测或计量特性。

为了达成上述目的，本实用新型提出一种可直接集成在从机芯片内部的总线供电实现电路，电路结构如图2所示，主要包含以下几个部分：

1)二极管D2：用于防止总线发送数据时总线电压比VDD还低而导致的电流倒灌；

2)限流源模块：用于限制从机芯片从总线上抽取的电流的大小；

3)LDO模块：用于产生功能模块需要的高性能电源；

4)功能模块：用于实现各类从机的各种功能，如水、电、气等各项数据的计量或者温度检测、烟雾报警检测等等；

5)接收及恒流发送模块：用于实现与主机通信的功能，通过检测总线电压状态来接收主机发送的数据，通过从总线上额外抽取恒定值的电流来向主机发送数据。

限流源的定义为：其输出的电流始终≤设定的限流值Ilimit。其工作区域可以分为线性区和饱和区，当负载需求值≥限流值时：限流源电流＝Ilimit，限流源处于饱和区；当负载需求值<限流值时：限流源电流＝负载电流IL，限流源处于线性区。本实用新型中限流源包括限流源1和限流源2两个部分：限流源1是当从机芯片开始启动时，对总线电流进行限制，此时限制值设为Ilimit1，开关S1闭合，S2断开；限流源2是从机正常工作时，对总线电流进行限制，此时限制值设为Ilimit2，开关S1断开，S2闭合。

本实用新型的一种具体实施方式如图3所示，结合图3，本实用新型的电路工作原理如下所述：限流源1由R3、ZD2、R4、MN1组成，限流源2由偏置产生电路、MN2、MN3、MP2、MP3组成。

开始启动时，VDD为0V，图中MN2及MN3截止，因此I2＝0，总线电流限制值由I1来决定。启动时，通过电阻R3及稳压管ZD2的作用，将MN1的栅端电压稳定在Vzd，从而产生电流I1向电容C2充电，此时I1的电流最大值Ilimit1由电阻R4、电压Vzd和MN1决定，Ibus约为Ilimit1。

随着对电容C2的充电，VDD逐渐上升，然后通过偏置产生电路产生偏置VB、通过带隙基准产生电路产生带隙基准Vref，MN3和MN2管逐渐开启，产生电流I3，再通过由MP2和MP3组成的1：n的电流镜产生电流I2，同时由于VDD电压的升高将导致MN1的Vgs减小，I1逐渐减小，当VDD增大到Vzd-Vthn1(即MN1的Vgs小于其开启电压Vthn1)时，I1电流减小至0。此时，总线电流限制值由I2来决定，I2的电流最大值Ilimit2由偏置电压VB及电流镜比例n来决定。至此，就完成了从机电路从启动到正常工作限流源(即限流源1到限流源2)两种限流值的切换。

由电流镜MP2和MP3产生电流I2通过MP1管继续向电容C2充电，由于运放AMP1的钳位作用，最后将使得VDD电压稳定在Vref×(R1+R2)/R1，至此，I2电流值将约等于从机电路实际消耗的电流值IL。

从机电路启动时，上述各参数的变化示意图如图4所示，将整个启动过程从左至右分为A、B、C、D四个阶段，则A阶段：限流源1处于饱和区；B阶段：限流源1处于线性区；C阶段：限流源2处于饱和区；D阶段限流源2处于线性区。I1的电流最大值Ilimit1可通过电阻R4、电压Vzd和MN1自由调节，因此可以很容易的根据从机的启动电流及启动时间(即工厂编码速度要求)来决定。I2的电流最大值Ilimit2可以通过偏置电压VB来自由调节。只要满足条件：Vref×(R1+R2)/R1>Vzd-Vthn1，则启动结束后，启动电流I1将降为0，从机正常工作时的限制电流值Ilimit2只由I2决定，实现了启动电流限制值和正常工作电流限制值可以分别设置的功能，避免了从机电路启动速度(影响工厂生产时的工厂编码速度)和能量使用率二者之间的矛盾。

如果工艺因素导致Vref×(R1+R2)/R1>Vzd-Vthn1这一条件不满足，可以在MN1的源端与VDD之间串接二极管，如图5所示，增加二极管D3，可以根据需要增加二极管的个数，不限于一个，广泛适用于各种工艺条件：

通常Ilimit2的精度要求较高，因此偏置电压VB的一种实现电路如图6所示，通过带隙基准电压及运放和电流镜来产生，这样可以保证Ilimit2较高精度及良好的温度特性，其具体值可以根据不同工作模式用寄存器来配置电阻R5的大小或MN4的宽长比来实现Ilimit2可调。

与主机通信时，利用接收电路检测总线电压状态来接收主机发送的数据，通过从总线上额外抽取恒定值的电流来向主机发送数据。由于启动电流限制值和正常工作电流限制值可以分别设置，因此较大的Ilimit1值既不会影响正常工作时总线上电流的稳定性也能够满足从机在工厂编码时快速上电的要求，同时Ilimit2的值可以通过配置寄存器调整到适应于当前负载需求的值，如果没有CPU等控制器而不能时时调整，由于限流源既可以工作在饱和区也可以工作在线性区，因此只要设计Ilimit2＝从机的峰值负载时，既可以满足从机的带负载能力，也不会产生能量的浪费。

如图7左半部分所示，以烟雾检测电路为例说明了本实用新型的应用，设计Ilimit2＝烟雾报警时消耗的电流，则烟雾报警时限流源工作在饱和区：Ibus约为Ilimit2，而在休眠等负载较小时，限流源工作在线性区：Ibus＝实际需要的电流IL(远小于Ilimit2)，避免了能量的浪费。相比之下，图1中现有技术的工作情况则如图7右半部分所示，只有饱和区一种工作模式，为了能使烟雾检测电路功能正常，只能将恒流源输出电流Inormal设置为Ilimit2，造成了能量上的极大浪费。

此外，本实用新型电路实施案例中VDD的电压最后通过带隙基准Vref确定，电阻R2可以通过数字信号来进行修调，从而调整电阻R2与电阻R1的比例关系，因此VDD电压可以有很好的一致性及温度特性，其具体值可以通过电阻R1、R2的比例进行设计，不受工艺因素的影响。

本实用新型的另一种电路实现方式如图8所示，与图5所示电路不同的是正常工作时限制电流的方式：图8中I3的电流值可通过电阻R6自由调节，与图5所示电路相比，其电路结构更简单，但Ilimit2值的精度及温度系数更差。

本实用新型的总线供电电路的技术方案中，其中所包括的各个功能设备和模块装置均能够对应于实际的具体硬件电路结构，因此这些模块和单元仅利用硬件电路结构就可以实现，不需要辅助以特定的控制软件即可以自动实现相应功能。

采用了该实用新型中的总线供电电路，更易于集成，适应于目前最广泛应用的CMOS工艺，成本低；从机启动时电流的限制值Ilimit1与正常工作时的电流限制值Ilimit2可以分别设置。因此可以满足对总线冲击电流进行限制的要求，满足快速启动进行工厂编码的要求，而又不造成能量的浪费；Ilimit2的值可以通过配置寄存器调整到适应于当前负载需求的值，如果没有CPU等控制器而不能时时调整，由于限流源的特性，设计Ilimit2＝从机的峰值负载时，既可以满足从机的带负载能力，也不会产生能量的浪费；为功能模块提供的电源VDD具有很好的一致性及温度特性，具体值可以通过R1、R2的比例进行设计，不受工艺因素的影响，使得从机电路可以实现高精度的计量或检测特性，具有广泛的应用范围。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。