通过1-Wire网络供电(04-100)

1-Wire网络是一种经济总线，它是基于漏极开路主/从多站结构基础上的，在主机中用电阻上拉额定的5V电源。网络包含3个主要部分：总线主机，连线和有关连接器，1线从机。协议采用普通的CMOS/TTL逻辑电平，规定工作的电源电压范围为2.8~6V。主机和从机配置成收发器，充许位序数据双向传输，但在一个时间限制在一个方向，数据是先读、写最低有效位。数据相对于时隙传输，例如，写逻辑1到从机，主机在≤15ms时间拉总线低态。为了写逻辑0，主机拉总线低态至少60ms，以便为最坏条件提供定时容限。不需要时钟，每个从机靠自己内部振荡器自定时与主机下降沿同步。从机工作电源来自总线，在空闲通信期间DATA线为5V。除加速时隙上升沿所用的软件控制15mA强上拉电流外，通常仅有5mA可用于网络。这妨碍对指示器和传感器供电。用下面4种方法的任一种可解决供电问题。这四种方法都考虑到所需的电量、供电时间多长和电源到总线主机的距离：

·当线上电压在3.5V以上时供电；

·通过阻塞二极管传输电荷到电容器来供电；

·在空闲通信时间用强上拉供电；

·用缆线中备用导线的外部电源。

　　分接3.5V和5V之间的可用电源

因为，1-Wire从机设计成单节锂离子电池工作关断，所以，可以分接3.5V和5V电压之间可用的电平。这等效于工作在分路模式负载，可以用钳位型负载(如LED)工作。这要求跨接在LED上总压降至少为3.5V，以便对可靠的通信有足够的噪声容限。在一定的装置中，永久连接分路负载跨接在总线上时，通常负载应该在总线主机控制下工作，把负载连接在1-Wire DATA和可寻址开关输出之间(见图1)。在此模式，1-Wire通信发生在3.5V以下，而供电发生在3.5V以上。当DS2406输出拉到低态时，LED导通，而总线上的电压为3.5V(LED正向电压)。当输出关断时，LED关闭，而总线电压是在其额定的5V值。总线主机提供的工作电流，对于DS2480基DS9097UCOM端口适配器，在正常通信期间限制在~5mA，而在无通信动作期间对软件控制强上拉可增加到~15mA。如图1所示，总线电压将钳位到保持有限上拉导通和提供15mA的电平上。若这不能接受，则连接在DATA线和LED间的限流电阻(图1中虑框)将使有效上拉关断。链路和其他总线主机电路提供比DS2480更大的功率。

通过阻塞二极管传输电荷到电容器

对于某些应用，可采用串联肖特基二极管和电容器跨接在总线上，在网络关注点产生本地电源(见图2)。在风速传感器中，1-Wire气象站利用BAT54S技术，用肖特基二极管和0.01mF陶瓷电容为DS2423计数器供电。在空闲通信期间，总线在5V时，电路从总线汲取功率为负载供电，并对电容器充电。这是1-Wire 从机内部用来为自己提供工作电源的附加电源技术的分立实现方法。C1值取决于负载的电流消耗和电压保持在设计值以上有多长。简单和低成本是此技术的特点，而该电路会导致漏电和容性负载，使网络长度和性能减小。此外，电容器变成短路或由其负载放电，导致网络短路而不能工作。不会有进一步的通信进行，直到被短路的电容被替换，或负载去掉总线电压升高到3.5V以上为止。

用专用IC来产生网络上的本地高电压源可增强此基本技术。用MOSFET栅极驱动器HT0440产生两个独立和隔离电压，这允许隔离1-Wire AC负载控制。HT0440更全面地应用是把两个输出串联连接并以附加电源为参考，产生~25V本地电源，此电源做为光电二极管的反向偏置电压是特别有用的。如图3所示，HT0440连接到CR1和C1所产生的附加电源上，其输出为光电二极管PD1提供高反向偏置电压。假若采用OPF470这样的PIN光电二极管，此电路可做为感测γ辐射的检测器。必须屏蔽传感器以防止光和IR辐射。如在传感器上加一个金属聚酯薄膜套。当γ射线通过二极管时，使漏电流瞬时增加产生随机脉冲输出。

在总线主机控制下提供电量

图4示出图2的半波整流器，隔离总线主机控制的两个可寻址开关。当输入开关闭合时，电容器通过DATA线接收电荷。充电时间间隔的长短是有效电源电流和所选电容值的函数。这种配置的最大优点是：在打开开关时，电容器及其电荷与网络隔离，而正常通信的恢复不会有漏电或C1容性负载。同样重要的是：存储元件隔离和由总线主机控制电源周期性工作可避免电容器/负载失效导致网络损坏。若在CHARGE CAP开关闭合时，C1发生短路，则DS2406开关将在其附加电源消除时恢复失效开路状态，自动从主总线去除失效条件。当需要存储的电量时，输出POWER DUMP开关闭合而电容器通过负载放电。此结构的重要元件从总线主机到存储元件的能量传输是低电平，而能量的使用是在高能量脉冲下。

这种结构的实例示于图5，用DS2406做为控制元件、用pFET做为开关。注意，MIC94031FET隔离开关是4端器件，引出衬底端。它在各种工作条件下提供正确的端偏置。栅极上拉电阻是集成在芯片上，为了保证开关不同时导通和可能损坏网络，用U2(74HC126 3态门)构成闭锁电路。由于U2控制引脚的异或连接，所以，只交替使能通路栅来充电和放电能量存储元件C1。如图5中真值表所示，若DS2406两个输出错误操作到相同逻辑状态(如上电期间)，则U2保证两个通路栅都关闭。

在工作时，DS2406(U1)为逻辑0，使U1输出B命令使C1充电。这使Q1导通，经二极管CR2连接DATA线到C1，二极管CR2防止C1通过网络反向放电。若Q1导通时不存在CR2，则在主总线上连接一个新的从器件，其呈现的脉冲将短路网络并放电电容器。起始状态在C1上无电荷，Q2栅极所维持的电位高于连接上拉电阻器R4的源极端，所以，Q2截止，当总线主机使U1的输出B关闭时，储存在C1上的电荷与网络和负载隔离，而只存在漏电通路能放电C1。当总线主机命令U1输出A(引脚3)到逻辑0时，Q2导通，而C1通过负载放电。

在此结构的实际实现中，用U1(DS2450四ADC做为1-Wire可寻址开关控制元件)构建一个气压传感器(图6)。DS2450也读能量储存电容器C1的电荷电平，并控制传感器输出的取样和保持(S/H)。该电路的主要设计指标是气压计需要能量源(C1)在22ms内能提供10mA。在电路中，用DS2450 I/0的两个引脚做为数字输出，控制电容器充电和放电，这是通过模拟开关U3和用做输出(放电)模拟开关的专门开关电容器稳压器U4实现的。电荷泵MAX684在储能电容器放电到2.7V时，提供稳压5V±4%输出。有利的是：效率随输入电压降低而提高，这种特性在用放电电容器做为储能源时是非常受欢迎的。U1的两个剩余I/O引脚用做模拟输入，读储能电容器上的电压和来自存储气压计输出的S/H(U7)的电压。此电路所希望的储能电容器C1值为0.22F，而较大的C1值会使输出电压常数变长。较大的C1值也需要较长的充电时间。

在工作中，U1 7端的低态使模拟开关U3闭合，并使C1通过CR1充电。CR1防止C1通过1-Wire网络反向放电。U1的8引脚可以读充电C的电压，以保证有足够的能量使负载工作。当U1的7端关闭时，模拟开关U3也关闭，而储存在C1上的电荷完全与网络隔离。在适当时间，U1的6端变低态，此低态能使电压稳压器U4并通过气压计U5为C1提供放电通路。MPXA4115所需导通和稳定时间最大为22ms，在此时间之后代表现在大气压力的输出电压储存在取样电容器C3上。取样之后，U4关闭以使储存在电容器C1上的能量损失最小。

利用缆线中的附加线

为使性能达到最大限度，Dallas 公司推荐1-Wire 网络用CAT 5U TP(非屏蔽双绞线)。然而，由于CAT 5通常提供1对以上的线，所以，可把备用对线用于连接电源。了解缆线的某些性质有助于了解这些配置如何影响1-Wire性能。在按地时，此备用线在单对两个导体之间增加~30pF/m~50pF/m。因为所增大的负载会降低性能，所以Dallas公司建议不用的线和屏蔽在缆线的两个末端都不连接。图7示出缆线中备用导体接地的负载影响，为了比较数据取自相同长度的CAT 5和6导线扁平电话缆线。注意，电话缆线中两个相邻导线间的电容比CAT 5对中值稍微大点，而CAT 5中备用导线接地影响比较大。还有，对于具有普通数量从机的相当短1-Wire网络，外部电源可与DATA和GND通信对线一道成功地确定路线。然而，必须考虑承载电源对线上的电流和电压变量可能对DATA和GND产生干扰，破坏通信。

由于总线主机视扁平缆线(在缆线中电源传送导线与1-Wire总线隔离)为小的容性负载，所以扁平6导线电话缆线可用于60m网络。采取DATA与电源承载导线隔离，用靠近1-Wire GND的外侧两根导线承载电源。如图7所示，连线顺序是：NC(未连接)，DATA，1-Wire GND，两个最外侧导线的外部电源和地。注意，顶部两个导线(图7中DATA前面)未连接。如前所述，除非它们悬空，否则将显著地增加DATA线上呈现的容性负载。另一种选择是用4线Silver Satin和用6端RJ-11安装缆线。当然，1-Wire通信导线从通常的红/绿到黄/绿将会有调换影响。然而，扁平缆线有一个显著的缺点，即双绞缆线缺乏噪声抑制性能，所以网络路由接近电噪声源时，EMI是1个严重的性能问题。

　　结语

1-Wire网络是通过单双绞线缆线主机与多从机通信的总线，通过总线也可接收工作电源。网络连接和供电结合具有很大的经济性，问题是如何为必要时使用的指示器或传感器提供能量。常见的例子包括操作LED指示器和为光电二极管或中等电流压力传感器提供高电压偏置。除非放置本地电源或选择隔离缆线供电，否则需要用同一1-Wire通信总线传输电源。本文概述了通过通信双绞线提供能量的方法以及用缆线的备用导线传输电源。■(京湘)