反激式電路為寬帶電話網(wǎng)絡(luò)供電

隨著寬帶接入的出現(xiàn)，許多公司開發(fā)了高壓SLIC（用戶線路接口卡），用于控制電話系統(tǒng)上的振鈴和語(yǔ)音傳輸。SLIC基本上執(zhí)行兩個(gè)功能。一種是在客戶場(chǎng)所撥打電話。另一種是產(chǎn)生用于摘機(jī)操作的環(huán)路電流。SLIC 的電源有特殊要求。

多線路、多電話應(yīng)用電源要求

美國(guó)振鈴器的等效電路，在大約20Hz的振鈴頻率下，基本上每部電話的阻性負(fù)載為8kΩ。線路上的并行電話數(shù)稱為振鈴等效號(hào)碼 （REN）。北美45個(gè)REN的振鈴負(fù)載要求是世界上最嚴(yán)格的。撥打電話需要至少 <>V 的電話振鈴電壓有效值（40V有效值在聽筒上）。電話振鈴電壓可以是梯形或正弦。正弦波形對(duì)電源提出了更嚴(yán)格的要求。45V 的正弦波有效值要求需要64V（負(fù)）的峰值電壓。一部手機(jī)的峰值電源電流為 64/8k = 8mA。電源必須輸出高于 64V 峰值的幾伏特，以保護(hù)電阻器的壓降和 SLIC 輸出放大器開銷。但是，線路電阻會(huì)增加所需的總電壓。與典型的DSL或電纜調(diào)制解調(diào)器客戶相比，用于中心局（CO）應(yīng)用的電話線通常更長(zhǎng)。在這里考慮的應(yīng)用中（對(duì)于使用AMD79R79 SLIC的Legerity Inc.），此電壓要求為-90V。

許多應(yīng)用為多條線路供電。電話可能會(huì)按順序振鈴以降低峰值功率，或者可能允許一些重疊，然后決定功率要求。REN=5應(yīng)用的峰值電流要求為40mA。由Legerity Inc.開發(fā)的AMD79R79 SLIC將此要求設(shè)置為56mA（以考慮SLIC電路中的各種容差）。在使用四條線路并允許在四條線路中的兩條中重疊的應(yīng)用中，峰值電流要求為112mA。任何線卡振鈴實(shí)現(xiàn)都需要在用戶摘機(jī)后的指定時(shí)間內(nèi)從用戶線路中刪除振鈴信號(hào)。這可以防止振鈴信號(hào)給訂戶帶來(lái)不適。為了檢測(cè)此狀態(tài)，在接地和電源之間建立指定時(shí)間（AMD150R79 SLIC為79毫秒）的直流電流路徑。SLIC器件檢測(cè)環(huán)形跳閘的直流電流，從而消除環(huán)形信號(hào)。使用 AMD79R79 的應(yīng)用通常將此直流電流值設(shè)置為比手機(jī)提供的負(fù)載高約 40%（這兩個(gè)值都可以在 AMD79R79 中獨(dú)立設(shè)置）。對(duì)于 REN=100 應(yīng)用，這將直流環(huán)形跳閘電流設(shè)置為 5mA。如果應(yīng)用還使用四條線路，其中四條線路中的兩條重疊，則環(huán)形跳閘電流在200ms內(nèi)提供150mA的額外負(fù)載。因此，電源應(yīng)設(shè)計(jì)為在-312V輸出時(shí)最大負(fù)載至少為90mA。

除了使電話振鈴?fù)?，電源還必須為語(yǔ)音傳輸和接收供電。在許多情況下，一旦語(yǔ)音傳輸開始，SLIC需要約-24V的較低輸入電壓來(lái)建立20至25mA環(huán)路。在單線路、單電話應(yīng)用中，設(shè)計(jì)結(jié)合了較低和較高的電源電壓，并在大約-53V的折衷電壓下工作SLIC。對(duì)于多線應(yīng)用，振鈴器和通話部分可以由同一電源供電。20mA環(huán)路的典型負(fù)載為200Ω至500Ω。這意味著負(fù)載兩端的壓降為4V至12V，SLIC上的其余壓降為100V至<>V。更有效的方法是為振鈴器和語(yǔ)音傳輸使用兩種不同的電源，就像在正在考慮的應(yīng)用一樣。對(duì)于多線路操作，如果一條線路在通話狀態(tài)下摘機(jī)，則它以較低的電源電壓工作，并且不能振鈴。然后，通話狀態(tài)的功率將看到大約<>mA的最大負(fù)載。

這些應(yīng)用使用壁掛式直流電源，產(chǎn)生 10V 至 25V 的電壓，但通常提供所需的 12V。下面的表 1 總結(jié)了有關(guān) AMD79R79 應(yīng)用的電源要求的討論，該應(yīng)用使用四條線路，四條線路中的兩條重疊。

表 1.AMD79R79 四線應(yīng)用的電源要求

反激式電源，采用MAX1856

多抽頭電感器和PFET可用于從正輸入產(chǎn)生所需的兩個(gè)電壓。與 N 溝道器件相比，P 溝道器件通常具有更高的導(dǎo)通電阻。在多抽頭電感拓?fù)渲?，PFET上的電壓應(yīng)力將非常高。使用NFET的多繞組反激式拓?fù)淇僧a(chǎn)生更高的功率和更高的效率。NFET上的應(yīng)力也小得多，因?yàn)榕c抽頭電感拓?fù)渲蠵FET上出現(xiàn)的全部輸出電壓相比，匝數(shù)比降低了反射輸出電壓。

對(duì)于多繞組反激式拓?fù)?，MAX1856控制器用于調(diào)節(jié)輸出電壓（圖1）。MAX1856工作在電流控制模式。內(nèi)部運(yùn)算放大器反相檢測(cè)的負(fù)輸出電壓，無(wú)需任何外部有源元件。MAX1856基準(zhǔn)電壓和反饋引腳之間的電阻（內(nèi)部以地為基準(zhǔn)）設(shè)置電阻式輸出電壓分壓器的電流。FREQ 引腳上的一個(gè)外部電阻決定開關(guān)頻率。選擇500kHz的最高頻率可提供該應(yīng)用指定的最大輸出功率30W。

圖1.用于 AMD79R79 SLIC 的電源。

連續(xù)導(dǎo)通模式需要更大的初級(jí)電感和更大尺寸的變壓器。但是，它可以提高效率并降低峰值電流值，從而降低NFET中的關(guān)斷損耗。然而，這并不意味著初級(jí)或次級(jí)電流連續(xù)流動(dòng)。在反激式電源中，連續(xù)模式是指變壓器鐵芯在一個(gè)完整開關(guān)周期內(nèi)的磁場(chǎng)連續(xù)性。圖1中的電路設(shè)計(jì)為在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。

輸入電壓施加到變壓器的初級(jí)T1。一個(gè)外部 MOSFET 開關(guān)驅(qū)動(dòng)主變壓器的另一側(cè)。MAX1856接通MOSFET，有效地在變壓器T1的初級(jí)端施加輸入電壓。初級(jí)的“點(diǎn)”端比“無(wú)點(diǎn)”端更積極。初級(jí)電流隨與輸入電壓成正比的變化率線性增加，與初級(jí)電感成反比。開關(guān)保持導(dǎo)通的時(shí)間段由占空比和開關(guān)頻率決定。占空比由變壓器匝數(shù)比、輸入電壓和輸出電壓決定。峰值初級(jí)電流，IP，是開關(guān)關(guān)閉前初級(jí)電流的最終值。與峰值電流的平方成正比的能量由變壓器中的磁場(chǎng)存儲(chǔ)。

次級(jí)繞組承載的反射電壓與初級(jí)電壓的匝數(shù)比成比例，具有相同的“點(diǎn)”極性。當(dāng)MOSFET開關(guān)位于二極管D1和D2上時(shí)，反向偏置，從而防止次級(jí)電流流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，減小的磁場(chǎng)會(huì)在變壓器繞組中引起突然的電壓反轉(zhuǎn)，使得“無(wú)點(diǎn)”側(cè)現(xiàn)在比“點(diǎn)”側(cè)具有更高的電位。二極管 D1 和 D2 變?yōu)檎蚱?，次?jí)電流迅速上升至峰值（與峰值初級(jí)電流 I 成正比）P通過(guò)反轉(zhuǎn)匝數(shù)比）。初級(jí)電流立即降至零。次級(jí)電流現(xiàn)在以與輸出電壓成正比的速率線性減小，與次級(jí)電感成反比。

MOSFET 漏極電壓迅速上升至輸入電壓和反射輸出電壓之和。所選MOSFET的擊穿電壓大于此電壓。初級(jí)漏感，LLP，變壓器與輸出電容共振，C開放源碼軟件，MOSFET和初級(jí)變壓器電容，CP，在 MOSFET 關(guān)斷期間。這會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷期間的電壓過(guò)沖與該諧振電路的寄生阻抗成正比。關(guān)斷期間，電壓過(guò)沖會(huì)增加 MOSFET 兩端的電壓。RCD緩沖器用于箝位電壓，使其小于MOSFET的擊穿電壓。開關(guān)在下一個(gè)周期開始時(shí)打開，次級(jí)電流突然降至零。儲(chǔ)存的能量沒(méi)有完全傳遞到負(fù)載。能量保留在內(nèi)核中，并在開關(guān)打開時(shí)導(dǎo)致初級(jí)電流波形的初始階躍（圖 2）。二極管D1和D2反向偏置并關(guān)斷。在此關(guān)斷期間，變壓器的次級(jí)漏感與次級(jí)整流器的自電容諧振。整流器D2的陰極使用RC緩沖器來(lái)抑制振鈴。在較高電壓輸出端只需要一個(gè)緩沖器。初始關(guān)斷尖峰仍然存在，并反映在原邊，如圖2中的電流波形所示。

圖2.反激式中的初級(jí)電流 （CH1= 電壓 @ EXT;CH2=初級(jí)電流）。

MAX1856可以驅(qū)動(dòng)多種邏輯電平N溝道MOSFET。選擇 MOSFET 時(shí)考慮的關(guān)鍵參數(shù)包括柵極電荷、反向傳輸電容、擊穿電壓、導(dǎo)通電阻和閾值電壓。這些參數(shù)的要求值由MAX1856的柵極驅(qū)動(dòng)能力和電路的效率要求決定。選擇MOSFET和其它電路元件的一般設(shè)計(jì)步驟在MAX1856數(shù)據(jù)資料中有更詳細(xì)的說(shuō)明。

反激式電源設(shè)計(jì)中最重要的因素之一是變壓器。MAX1856可與經(jīng)濟(jì)型現(xiàn)成變壓器配合使用。AMD79R79 SLIC電源使用庫(kù)柏電子的變壓器CTX03-15220，初級(jí)電感為4μH。分離反饋技術(shù)（圖 1）和變壓器繞組中的緊密耦合改善了交叉調(diào)節(jié)。由于兩個(gè)輸出上的電流負(fù)載范圍很廣，因此該特性在此應(yīng)用中非常重要。通話電池電源（-30V）可提供8mA（當(dāng)所有電話都處于空閑狀態(tài)時(shí)）和高達(dá)150mA的電流。振鈴器電源 （-90V） 可提供 1 至 320mA 的電流。此應(yīng)用所需的典型輸出功率為 12W（表 1）。但是，在環(huán)形跳閘條件下，電源可以安全地提供所需的30W。圖3顯示了該電路對(duì)振鈴器電源（-90V）實(shí)現(xiàn)的出色交叉調(diào)節(jié)。在所有負(fù)載條件下，通話電池電源（-30V）的變化小于100mV（標(biāo)稱輸入電壓為12V）。兩個(gè)輸出端的輸出紋波均為20mV。這表明該電路在表1的規(guī)格范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。

圖3.反激式電源符合法規(guī)要求。

審核編輯：郭婷