專利名稱:Isdn的u接口用戶線路電源模塊的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及一種從ISDN的U接口用戶線路取電的電源模塊,特別涉及一種能夠在ISDN的U接口用戶線路的終端側取電并供給如公共電話一類的無人值守設備的電源模塊。
背景技術:
ISDN的U接口用戶線路能饋出100V左右的供電電壓。按照ITU制定的標準,在市電停電的情況下,U接口的網絡終端設備應從用戶線上取出一定的功率,至少能夠支持一部電話機的通話業務。一般都采用開關電源模塊向用戶端的智能設備供電。為此,很多公司開發了U接口用戶線路的電源芯片或模塊,圖1是一種已公開的電源模塊結構該電源模塊僅包含一個反激式隔離DC/DC變換器,依靠變壓器副邊的多個不同位置的抽頭實現不同的電壓輸出,在5km長度以內的用戶線路上可以直接支持一部電話機通話的業務。該電源模塊滿足了ISDN業務的最低要求,但存在如下缺陷1供電效率不高帶中心抽頭的變壓器的臨近效應很明顯,導致損耗增加,因此這樣的DC/DC結構的效率受到限制;2供電質量不高反饋電路僅能取樣一路電壓的輸出,或者幾路電壓的加權輸出,很難達到滿意的輸出穩定度,導致電源的紋波較大;3可靠性差由于線路的阻抗比較大,電源很容易進入雙穩態,其中的一個穩態工作點會導致供電效率急劇下降,而使設備的工作受到影響;正是由于上述的缺陷,這種傳統的電源模塊難以支持更多的業務,所以大多數的ISDN的U接口設備需要配備市電供電的電源適配器。即便如此,U接口的設備仍然時有斷線故障發生,因此這樣的電源模塊很難支撐無人值守設備的工作。
發明內容
本實用新型的目的在于克服上述傳統U接口用戶線路電源模塊的缺陷,提供一種給無人值守設備供電的U接口用戶線路電源模塊。
為達成上述目的,本實用新型的技術方案為電源模塊包括定向電路即整流濾波電路、兩級DC/DC變換器、鎘鎳/氫鎳電池組和一個自鎖/自斷控制電路,兩級DC/DC變換器分別為前級反激式隔離DC/DC變換器和后級降壓DC/DC變換器,ISDN線路經過整流濾波后形成正負極,前級反激式隔離DC/DC變換器跨接在正負極之間,該變換器的輸入正負極連接,自鎖/自斷控制電路連接在后級降壓DC/DC變換器的控制端子上。采用兩級高效率的DC/DC變換器前級采用高效率的反激式隔離DC/DC變換器,實現50-100V之間波動的線路電壓到較低的直流電壓的轉換,這個較低的直流電壓對鎘鎳/氫鎳電池組充電,然后供給后級高效率的降壓DC/DC變換器。后級高效率的降壓DC/DC變換器實現5V和3.3V的穩壓。
反激式隔離DC/DC變換器包括電流模式脈寬調制器、高頻MOS開關管、高頻鐵氧體變壓器和整流管、電阻等元件,脈寬調制器跨接在ISDN線路經過整流濾波后的正負極之間,并且有一個驅動端子連接到高頻MOS開關管的柵極,該MOS開關管的漏極和變壓器的原邊繞組的一端連接,源極通過限流電阻連接到ISDN線路經過整流后的負極,變壓器原邊繞組的另一端連接到ISDN線路經過整流后的正極,脈寬調制器的供電取自變壓器的輔助繞組及其并聯著的電容的一端,并且有一個電流檢測端子通過電阻和MOS開關管的限流電阻相連,輔助繞組的另一端連接到ISDN線路經過整流后的負極,在變壓器的次級繞組的一端連接了整流管,整流管的負極作為初級DC/DC的輸出正極,次級繞組另一端作為初級DC/DC的輸出負極。ISDN線路經過整流濾波后送給反激式隔離DC/DC變換器,脈寬調制器的驅動端子控制高頻MOS開關管,用以控制高頻鐵氧體變壓器的原邊繞組產生振蕩;振蕩過程中的磁能經過變壓器次級的整流管整流后,形成8V左右的電壓,并給鎘鎳/氫鎳電池組充電;為穩定充電電壓,設置了電壓取樣電路,并將采集到的電壓誤差信號通過光耦合器反饋至脈寬調制器;脈寬調制器的供電取自變壓器的一個輔助繞組。
在反激式隔離DC/DC變換器中設有一個反饋回路,該反饋回路有一個電壓取樣檢測電路,取樣檢測電路的兩個取樣電阻串聯并跨接在前級DC/DC輸出端正負極間,兩個取樣電阻的連接點和電壓取樣檢測電路的電壓比較器同相端連接,電壓比較器反相端連接一個基準電壓,電壓比較器的輸出端連接著的光耦合器的發光管正極,發光管的負極和前級DC/DC輸出端負極連接,光耦合器的輸出晶體管的集電極被連接到脈寬調制器的反饋端,輸出晶體管的射級連接到ISDN線路經過整流后的負極。反饋回路也可以采用精密可調穩壓基準器件和光耦合器的發光管串聯,然后跨接在前級DC/DC輸出正負極。
經過前級DC/DC變換器之后形成的8V左右的電壓輸出給降壓DC/DC變換器,該降壓DC/DC由兩個不同輸出電壓的降壓DC/DC變換器組成,一個產生5V的輸出電壓,一個產生3.3V的輸出電壓。
在前級反激式隔離DC/DC變換器的輸入端正負極之間并聯一個雙穩態抑制電路,雙穩態抑制電路由取樣電阻、電壓比較器和二極管組成,兩個取樣電阻連接在前級DC/DC輸入端正負極之間,電阻的中點連接到電壓比較器的同相端,反相端接一個基準電壓,電壓比較器輸出通過一個二極管連接到脈寬調制器的一個控制端子。雙穩態抑制電路也可采用在前級DC/DC輸入端負極上串聯電流取樣電阻取代電壓取樣電阻。雙穩態抑制電路以檢測用戶線路電壓值而得知該電源模塊是否進入低效率的穩態工作點,一旦進入該穩態工作點,脈寬調制器將被關閉或停止振蕩,從而遠離該低效率穩態工作點。
在鎘鎳/氫鎳電池組并聯一個電池組充放電監控電路,該電池組充放電監控電路包括一個電流取樣檢測電路和一個電池電壓檢測電路,電流取樣電路的取樣電阻和電池組串聯,該電阻和電池組的連接點輸入給一個電壓比較器的同相端,比較器的輸出連接到反饋回路光耦合器的輸入端,電池電壓監控電路是一個滯回比較器,比較器的輸入端連接到電池組的正極,輸出信號提供給負載作為電池容量信息。電流取樣檢測電路用于限制充電電流,以保護電池,電壓監測電路向負載提供電池容量信息。
在后級降壓DC/DC變換器的控制端子上連接了一個自鎖/自斷控制電路,自鎖/自斷控制電路中邏輯或門電路的一個輸入端連接到線路供電狀態電路的輸出端,另一個輸入端提供給負載作為控制端。
本實用新型具有較高的效率、穩定性和可靠性,能夠抑制電源模塊的雙穩態,使電源模塊遠離低效率的穩態工作點;該電源模塊具有后備電源,使得當線路因故中斷時,電源模塊仍然能夠支持無人值守設備的工作;該電源模塊提供了一種自鎖/自斷的控制機制,使得無人值守設備可以控制電源的工作。
圖1是一種已公開的U接口用戶線路電源模塊的結構;圖2是本新型實用的原理框圖;圖3是本新型實用的具體實施例;圖4是雙穩態抑制電路的具體實施例;圖5是自鎖/自斷控制的具體實施例。
具體實施方式
為更好理解本實用新型的目的、特點和優點,以下結合本實用新型的附圖,進一步詳細描述。參見圖2,該圖顯示了本新型實用的整體原理和結構,可見本新型實用包含了兩級DC/DC變換。由于電源的整體效率等于兩極變換器轉換效率的乘積,要想達到整體的高效率,每一級DC/DC變換都必須有很高的效率,對于后級DC/DC來說,采用精心設計的降壓式DC/DC變換器,轉換效率一般都能達到90%以上;前級DC/DC變換器的效率很難做到極高的水平,原因在于高頻變壓器的損耗很難控制。本新型實用為了提高前級的轉換效率,摒棄了傳統的U接口用戶線路電源模塊中使用的帶中心抽頭的變壓器結構(如圖1所示),采用了單次級繞組的變壓器。由于次級沒有了中心抽頭,臨近效應所引起的繞組銅損大大降低,從而提高的變換器的效率;此外單次級繞組便于采用初次級交錯分層繞制的工藝,可以進一步降低臨近效應,同時變壓器的漏感大大降低,由漏感引起的瞬間電壓脈沖也受到抑制,由此引起的損耗自然也就降低了。因此,采用兩級變換的結構雖然增加了一級DC/DC的損耗,但由于變壓器結構的改變引起的轉換效率的提高卻更為可觀。
圖3為本實用新型的具體實施例,脈寬調制器(PWM)輸出脈寬受控的信號控制開關管Q1,在Q1導通期間,線路電壓加在初級繞組上,初級繞組的電流線性增加,變壓器的磁芯被充磁而儲存了能量;在Q1關斷期間,磁芯的磁通產生反向電動勢,導通D4,從而對電容C2充電,磁芯的磁能轉換為電容的電能。反饋回路由R7、R8、OP1、R4、Q2構成,通過采樣C2上的電壓,來控制光耦的發光,從而使脈寬調制器受控,實現對初級DC/DC的穩壓控制。脈寬調制器引入了電流模式,所以有較高的響應速度,同時利用電流的反饋限制了脈沖寬度,可以有效防止變壓器的磁芯飽和,在一定程度上也減小了磁心的損耗。穩定工作后,脈寬調制器本身的供電來自一個輔助繞組,而不是從高壓側經限流而得的電壓,從而避免了限流電路上的熱損耗。D1、D2構成地損耗的吸收回路,用于吸收反向的浪涌電壓,以保護開關管。綜合這些措施,在>0.5W的輸出功率條件下,圖3所示具體實施例的初級DC/DC的效率接近85%。電源的整體效率接近75%,能夠從1500mW的U接口用戶線路上提取1100mW的功率。
以上所述說明了本實用新型如何實現高效率的目的,由于電源結構上分成了兩級,每一級的DC/DC變換器都有各自的反饋回路來穩定各自的輸出電壓。和圖1所示的傳統的帶中心抽頭的變換器結構相比,輸出電壓的穩定度大為改善,而且各自的輸出電壓的波動不會相互干擾,因此實現了高穩定度的目標。
由于ISDN的U接口用戶線每公里存在200-300歐姆的直流電阻,線路總長度可高達6km。對于線路終端側的開關電源來說,線路上的直流電阻是其輸入電阻,如此高的輸入電阻很容易導致電源雙穩態現象。當出現雙穩態現象時,電源既可以處于高壓小電流的穩態工作點,也可以處于低壓大電流的穩態工作點,對于后一種狀態來說,大部分的功率損耗在用戶線上,是我們不希望得到的穩態工作點。圖2顯示出本實用新型具有電源雙穩態抑制電路,該電路可以有效的防止電源進入低效率的穩態工作點,已下將結合圖4所式的雙穩態抑制電路的具體實施例說明其原理。
電源模塊進入低效率穩態工作點的一個顯著特征是U接口用戶線路電壓跌落至不足該線路開路電壓的一半。U接口用戶線路的開路電壓為100V,因此防止電源進入低效率穩態工作點也就是防止線路電壓低于50V,為此我們設置了電壓比較器U1(參見圖4),一旦線路電壓低于50V,取樣電阻R2上的電壓將低于Vref,于是電壓比較器輸出低電平,該低電平控制了脈寬調制器,使其關閉,從而迫使線路對C1電容充電,使得線路電壓上升。這樣就使本新型實用所述的電源模塊永遠不會進入低效率的穩態工作點。
由基本的電路理論可知當負載阻抗等于輸入阻抗時,負載的電壓為源電壓的一半,得到的輸入功率最大。因為上述雙穩態抑制電路的判決門限設定在U口用戶線路開路電壓的一半,所以此電路還達到了這樣的一種效果在較長的U接口用戶線路上,電源模塊總是取得最大的輸入功率,也就是說該電源模塊的等效阻抗總是自適應于線路條件。因此加入雙穩態抑制電路后,本實用新型所述的電源模塊的可靠性大大增強。
本實用新型是為無人值守設備供電,一旦U接口用戶線路因故障中斷,必須有后備電源啟動,為設備運行提供保障。這里我們采用了鎘鎳/氫鎳電池組接入兩級變換器之間(參見圖2),當電源模塊能取到較大的輸入功率,或者無人值守設備處于低功耗運行狀態時,多余的能量就被存儲于鎘鎳/氫鎳電池組。一旦線路因故中斷,后級的高效率降壓變換器仍然能夠從電池組上取得功率輸出給無人值守設備。參見圖3所時的具體實施例,本實用新型還為鎘鎳/氫鎳電池組配備了充放電監控電路(由OP2、R5、R6、電壓監控電路構成),用來限制電池組的充電電流以保護電池組;同時還能夠向無人值守設備提供電池容量信息,以便在電池容量不足時,及時通知該設備。此外為了節省電池組的容量,延長電池組的壽命。當外線因故中斷時,應當及時通知無人值守設備,即提供供電狀態信號。參見圖3所示的具體實施例,該功能由D5、C3、R9實現。其原理是當線路中斷時,前級DC/DC變換器終止運行,因此變壓器T1中就不存在振蕩信號,因此D5、C3也就產生不了檢波輸出,C3上原來存儲的電荷通過R9被釋放掉,于是輸出一個低電平告警信號。
因為U接口用戶線路中斷時,無人值守設備失去了通信鏈路,除了必要的數據備份工作之外,沒有繼續運行的必要。因此本實用新型提供了一種自鎖/自斷控制機制,使無人值守設備在做完數據備份的工作之后,可以自行關閉該電源的供電,對節省電池組的容量是很有意義的。
參見圖5所示的具體實施例,該自鎖/自斷控制的核心是一個邏輯或門,或門的一個輸入端來自上述供電狀態信號。當U接口用戶線路正常時,該輸入信號為高電平,或門的輸出就為高電平,于是后級的DC/DC變換器被開啟,向無人值守設備供電。該設備上電復位后,輸出一個高電平給或門的另外一個輸入端,進一步的維持了輸出的高電平。此時即使線路中斷,供電狀態為低電平,由于無人值守設備仍然維持著或門另外一個輸入端的高電平,所以后級的DC/DC變換器仍然保持開啟狀態,只是此時由電池組向設備供電。無人值守設備在做完數據備份的工作后,將或門另外一個輸入端的電平變低,或門的輸入就變為低電平,后級的DC/DC被關閉,該設備的供電就終止了。除非線路恢復正常,否則電源模塊將一直維持不向設備供電的狀態,從而節省了電池組的容量。
上述分別介紹了本實用新型為達成其目的所采取的幾個措施,實際上這幾個措施之間有機的結合,整體上進一步的提高了電源模塊的可靠性由于存在后備電池組,當無人值守設備的瞬間功耗很大時,電池組同時向設備供電,從而減輕了U接口用戶線路的負載壓力,避免了因瞬間功耗過大而導致交換機復位、掉線等故障;交換機饋電功率瞬間的波動也不會影響無人值守設備的運行;考慮到無人值守設備并不總是處于全功率的運行狀態,即使在線路饋電不足的條件下仍然能夠滿足設備的正常運行。
本文的描述及附圖中的實施例是為了描述本實用新型的特點,其目的僅在于熟知相關技術者了解本實用新型的內容并據以實施,并非用于限定本實用新型的申請專利范圍。因此,凡依據本實用新型提示的設計思想所完成的等效實施或修改,仍應包含在前述申請專利范圍中。
權利要求1.一種從ISDN的U接口用戶線路取電的電源模塊,其特征在于所述電源模塊包括定向電路即整流濾波電路、兩級DC/DC變換器、鎘鎳/氫鎳電池組和一個自鎖/自斷控制電路,兩級DC/DC變換器分別為前級反激式隔離DC/DC變換器和后級降壓DC/DC變換器,ISDN線路經過整流濾波后形成正負極,前級反激式隔離DC/DC變換器跨接在正負極之間,該變換器輸出端的正負極之間跨接鎘鎳/氫鎳電池組并且和后級的降壓DC/DC變換器的輸入正負極連接,自鎖/自斷控制電路連接在后級降壓DC/DC變換器的控制端子上。
2.根據權利要求1所所述電源模塊,其特征在于反激式隔離DC/DC變換器包括電流模式脈寬調制器、高頻MOS開關管、高頻鐵氧體變壓器和整流管、電阻等元件,脈寬調制器跨接在ISDN線路經過整流濾波后的正負極之間,并且有一個驅動端子連接到高頻MOS開關管的柵極,該MOS開關管的漏極和變壓器的原邊繞組的一端連接,源極通過限流電阻連接到ISDN線路經過整流后的負極,變壓器原邊繞組的另一端連接到ISDN線路經過整流后的正極,脈寬調制器的供電取自變壓器的輔助繞組及其并聯著的電容的一端,并且有一個電流檢測端子通過電阻和MOS開關管的限流電阻相連,輔助繞組的另一端連接到ISDN線路經過整流后的負極,在變壓器的次級繞組的一端連接了整流管,整流管的負極作為初級DC/DC的輸出正極,次級繞組另一端作為初級DC/DC的輸出負極。
3.根據權利要求1所述電源模塊,其特征在于反激式隔離DC/DC變換器有一個反饋回路,該有一個電壓取樣檢測電路,取樣檢測電路的兩個取樣電阻串聯并跨接在前級DC/DC輸出端正負極間,兩個取樣電阻的連接點和電壓取樣檢測電路的電壓比較器同相端連接,電壓比較器反相端連接一個基準電壓,電壓比較器的輸出端連接著的光耦合器的發光管正極,發光管的負極和前級DC/DC輸出端負極連接,光耦合器的輸出晶體管的集電極被連接到脈寬調制器的反饋端,輸出晶體管的射級連接到ISDN線路經過整流后的負極。
4.根據權利要求3所述電源模塊,其特征在于反饋回路為精密可調穩壓基準器件和光耦合器的發光管串聯,然后跨接在前級DC/DC輸出正負極。
5.根據權利要求1所述電源模塊,其特征在于降壓DC/DC變換器由兩個不同輸出電壓的降壓DC/DC變換器組成。
6.根據權利要求1-5之一所述電源模塊,其特征在于在前級反激式隔離DC/DC變換器的輸入正負極之間并聯了一個雙穩態抑制電路,雙穩態抑制電路由取樣電阻、電壓比較器和二極管組成,兩個取樣電阻連接在前級DC/DC輸入端正負極之間,電阻的中點連接到電壓比較器的同相端,反相端接一個基準電壓,電壓比較器輸出通過一個二極管連接到脈寬調制器的一個控制端子。
7.根據權利要求6所述電源模塊,其特征在于雙穩態抑制電路在前級DC/DC輸入端負極上串聯電流取樣電阻取代電壓取樣電阻。
8.根據權利要求1所述電源模塊,其特征在于在鎘鎳/氫鎳電池組并聯一個電池組充放電監控電路,該電池組充放電監控電路包括一個電流取樣檢測電路和一個電池電壓監測電路,電流取樣電路的取樣電阻和電池組串聯,該電阻和電池組的連接點輸入給一個電壓比較器的同相端,比較器的輸出連接到反饋回路光耦合器的輸入端,電池電壓監控電路是一個滯回比較器,比較器的輸入端連接到電池組的正極,輸出信號提供給負載作為電池容量信息。
9.根據權利要求1所述電源模塊,其特征在于在后級降壓DC/DC變換器的控制端子上連接了一個自鎖/自斷控制電路,自鎖/自斷控制電路中邏輯或門電路的一個輸入端連接到線路供電狀態電路的輸出端,另一個輸入端提供給負載作為控制端。
專利摘要本實用新型公開一種用于ISDN的U接口用戶線路取電的電源模塊,該電源模塊具有兩級DC/DC轉換結構,轉換效率很高;同時使用了雙穩態抑制電路并配備了后備電池組。這些措施改善了電源的可靠性和穩定度,特別適合為ISDN線路上的無人值守設備供電,并為此配置了自鎖/自斷控制電路,便于無人值守設備對電源模塊進行控制。
文檔編號H04M19/00GK2613940SQ0323558
公開日2004年4月28日 申請日期2003年2月25日 優先權日2003年2月25日
發明者郭春雨 申請人:武漢精倫電子股份有限公司