電話(huà)線(xiàn)饋電電路分析

<電話(huà)線(xiàn)" title="電話(huà)線(xiàn)">電話(huà)線(xiàn)" title="電話(huà)線(xiàn)">電話(huà)線(xiàn)上獲取較大功率電源的幾種電路進(jìn)行了分析，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出各個(gè)電路的適用場(chǎng)合。 在IC卡電話(huà)、多功能電話(huà)以及其它一些利用電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行通信的小型設(shè)備中使用電話(huà)線(xiàn)饋電電路，可以省去額外的外部電源或電池。

以前使用的普通電話(huà)機(jī)只需要很小功率就可滿(mǎn)足正常通話(huà)的要求。它們利用交換機(jī)的饋電和簡(jiǎn)單的并聯(lián)或串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路提供的幾毫安電流，驅(qū)動(dòng)通話(huà)電路工作，而不用過(guò)多關(guān)心效率與過(guò)流保護(hù)的問(wèn)題。

可是，對(duì)于現(xiàn)在很多新型多功能電話(huà)機(jī)、公用IC卡電話(huà)機(jī)或利用公用交換網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的小型設(shè)備來(lái)說(shuō)，幾毫安的電源電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了需求。如果采用外部供電或電池供電，不但會(huì)增加成本，而且還會(huì)給用戶(hù)的使用帶來(lái)不便。最理想的方案是從線(xiàn)路饋電獲取系統(tǒng)電源。但是根據(jù)GB/T 15297-2002標(biāo)準(zhǔn)，話(huà)機(jī)設(shè)備在掛機(jī)狀態(tài)下能獲取的電流只有500uA左右，在摘機(jī)狀態(tài)下能獲取的電流一般在18mA至80mA之間，另外線(xiàn)路阻抗的變化范圍也很大，在惡劣狀況下會(huì)達(dá)到1千多歐姆，這時(shí)如果采用傳統(tǒng)電源電路肯定無(wú)法獲得足夠的功率。

饋電的基本原理

交換機(jī)采用電壓或電流饋電方式向用戶(hù)電路提供的電壓一般為48V，掛機(jī)時(shí)的饋電電流一般小于500uA，摘機(jī)時(shí)的饋電電流在18mA至 80mA之間。由此可見(jiàn)，在掛機(jī)狀態(tài)下，用戶(hù)電路能得到的電流是相當(dāng)有限的?？上驳氖?，如今單片機(jī)的低功耗技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，例如TI的MSP430 單片機(jī)能在幾十微安的電流下工作。但是在掛機(jī)狀態(tài)下，電話(huà)線(xiàn)上的智能設(shè)備仍然需要盡可能關(guān)閉多余的功能(如液晶顯示等)以免產(chǎn)生過(guò)流，導(dǎo)致交換機(jī)方誤判電話(huà)終端故障。

摘機(jī)狀態(tài)下的饋電電流也是有限的。對(duì)于一定的線(xiàn)路阻抗，用戶(hù)電路能從摘機(jī)電話(huà)線(xiàn)上獲得的輸入功率取決于所取電壓。如果不考慮通訊要求，當(dāng)所取電壓為交換機(jī)電源電壓的1/2或者輸入電阻與線(xiàn)路阻抗相匹配時(shí)，用戶(hù)電路能獲得功率最大。但這樣做會(huì)導(dǎo)致環(huán)路電阻過(guò)大，影響正常通訊，因此實(shí)際所取電壓要低得多。這時(shí)所獲得的功率幾乎正比于所取電壓，因而獲得大功率電源的唯一辦法就是在滿(mǎn)足正常通訊對(duì)環(huán)路阻抗要求的情況下盡量提高輸入電壓。

但是，利用這種方法獲得的輸入功率還不能直接供電路使用，因?yàn)樗惶岣吡穗妷?，并未增加電流，還需要通過(guò)高效率的開(kāi)關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)低電壓、大電流的輸出功率。

掛機(jī)饋電電路

圖1：掛機(jī)饋電電路(恒流源配合線(xiàn)性穩(wěn)壓電路)。

在掛機(jī)狀態(tài)下有多種饋電方式，恒流源配合線(xiàn)性穩(wěn)壓電路的饋電方式是常用的一種，圖1給出了這種饋電方式的電路結(jié)構(gòu)。在該電路中，電橋用來(lái)做極性保護(hù)，其后的一個(gè)恒流源電路與通訊電路并接。電流大小基本由R1決定，約為300uA，這是為了在保證掛機(jī)電源供應(yīng)的同時(shí)，不會(huì)因?yàn)槁╇娺^(guò)大而導(dǎo)致交換機(jī)方誤判電話(huà)終端故障。由于電流太小，所以無(wú)法使用效率更高的開(kāi)關(guān)電源。通訊電路一般采用變壓器耦合以消除對(duì)地的不平衡，但如果電路允許，也可采用通訊電路與電橋共地的連接方式來(lái)簡(jiǎn)化電路。

摘機(jī)饋電電路

圖2：摘機(jī)并聯(lián)饋電電路。

摘機(jī)饋電電路大致分為兩類(lèi)，饋電電路與通訊電路并聯(lián)的屬于并聯(lián)饋電，饋電電路與通訊電路串聯(lián)的屬于串聯(lián)饋電。圖2是一種常用的并聯(lián)饋電電路，大電感L1保證直流饋電不會(huì)影響交流信號(hào)。對(duì)于惡劣的線(xiàn)路狀況，如5km長(zhǎng)的用戶(hù)線(xiàn)路，若不考慮通訊電路的影響，齊納管D5上的電壓最大為15V，功率可達(dá)340mW。當(dāng)線(xiàn)路狀況更加惡劣時(shí)，將齊納管D5上的電壓降低到13V，則可獲得300mW左右的功率。利用MAXIM公司的開(kāi)關(guān)頻率為 600KHz，效率可達(dá)95%的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器MAX1685，將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成3.3V就可獲得85mA的電源電流。

這種電路工作穩(wěn)定可靠，但也存在幾個(gè)缺點(diǎn)：一是有部分電流經(jīng)過(guò)通訊電路環(huán)路流回線(xiàn)路，沒(méi)有被電源模塊充分利用;二是并聯(lián)的電感對(duì)通訊電路的交流信號(hào)有影響;三是大電感的體積龐大，對(duì)很多便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是不可接受的;另外，大電感的寄生電阻也會(huì)影響電源效率。因此，圖2中的大電感常常被圖3中的電子電感或恒流源所代替。這雖然可以解決電感體積過(guò)大的問(wèn)題，但由于采用了三極管，所以不可避免地存在1V以上的固定壓降，使整個(gè)電源的效率降低。

圖3: (a)等效電感電路;(b)簡(jiǎn)化的電子電感;(c)恒流源。

圖4：摘機(jī)串聯(lián)饋電電路。

如果像圖4那樣將饋電電路與通訊電路串聯(lián)，就成了串聯(lián)饋電電路。串聯(lián)饋電電路的最大優(yōu)點(diǎn)是可以利用整個(gè)環(huán)路電流為系統(tǒng)供電。此外，由于電路是串聯(lián)的，所以不需要大電感，只需幾十毫亨的電感進(jìn)行電源濾波，這能有效克服并聯(lián)饋電難以解決的問(wèn)題，因而被大多數(shù)工程師采用作為IC電話(huà)等設(shè)備的電源。該電路可以很好地工作在惡劣的線(xiàn)路狀況中，即使用戶(hù)線(xiàn)路等效長(zhǎng)度超過(guò)7km，電壓降低到10V，也可獲得280mW左右的功率。

由于電源電路與通訊電路串聯(lián)，輸入阻抗較大，為盡量降低通訊電路的阻抗，通常采用變壓器耦合方式。但這也產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榻涣餍盘?hào)和直流電源電流都流經(jīng)變壓器，所以對(duì)變壓器提出了更高要求。不僅要求變壓器有足夠大的感抗、良好的線(xiàn)性度，還需要有較小的直流阻抗、良好的散熱性，并能承受100mA的電流，且在較大的電流范圍內(nèi)(18～80mA)保持穩(wěn)定的感抗和線(xiàn)性度。這樣的要求對(duì)線(xiàn)圈變壓器來(lái)說(shuō)是非?？量痰?。

本文小結(jié)

本文分析的幾種饋電電路有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，通常需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選用不同的饋電電路，而且一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合一般需要的饋電電路不只一種，經(jīng)常是以上幾種電路的組合或變種。當(dāng)然在有的應(yīng)用中，饋電電路與通訊電路巧妙地做在了一起，既完成饋電又完成通訊功能，這樣雖然有利于縮小體積、降低成本，但不利于調(diào)試和供后人借鑒，所以本文沒(méi)有討論這種饋電方式。