幾種電話線饋電電路原理介紹及設(shè)計(jì)

???? 以前使用的普通電話機(jī)只需要很小功率就可滿足正常通話的要求。它們利用交換機(jī)的饋電和簡單的并聯(lián)或串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路提供的幾毫安電流，驅(qū)動通話電路工作，而不用過多關(guān)心效率與過流保護(hù)的問題。

???? 可是，對于現(xiàn)在很多新型多功能電話機(jī)、公用IC卡電話機(jī)或利用公用交換網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的小型設(shè)備來說，幾毫安的電源電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求。如果采用外部供電或電池供電，不但會增加成本，而且還會給用戶的使用帶來不便。最理想的方案是從線路饋電獲取系統(tǒng)電源。但是根據(jù)GB/T 15297-2002標(biāo)準(zhǔn)，話機(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，另外線路阻抗的變化范圍也很大，在惡劣狀況下會達(dá)到1千多歐姆，這時如果采用傳統(tǒng)電源電路肯定無法獲得足夠的功率。

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電路提供的電壓一般為48V，掛機(jī)時的饋電電流一般小于500uA，摘機(jī)時的饋電電流在18mA至 80mA之間。由此可見，在掛機(jī)狀態(tài)下，用戶電路能得到的電流是相當(dāng)有限的。可喜的是，如今單片機(jī)的低功耗技術(shù)取得了長足的進(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，電話線上的智能設(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)生過流，導(dǎo)致交換機(jī)方誤判電話終端故障。

?????? 摘機(jī)狀態(tài)下的饋電電流也是有限的。對于一定的線路阻抗，用戶電路能從摘機(jī)電話線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或者輸入電阻與線路阻抗相匹配時，用戶電路能獲得功率最大。但這樣做會導(dǎo)致環(huán)路電阻過大，影響正常通訊，因此實(shí)際所取電壓要低得多。這時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足正常通訊對環(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，還需要通過高效率的開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，得到一個低電壓、大電流的輸出功率。

掛機(jī)饋電電路

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圖1：掛機(jī)饋電電路(恒流源配合線性穩(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，電橋用來做極性保護(hù)，其后的一個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，不會因?yàn)槁╇娺^大而導(dǎo)致交換機(jī)方誤判電話終端故障。由于電流太小，所以無法使用效率更高的開關(guān)電源。通訊電路一般采用變壓器耦合以消除對地的不平衡，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簡化電路。

摘機(jī)饋電電路

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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，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保證直流饋電不會影響交流信號。對于惡劣的線路狀況，如5km長的用戶線路，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)線路狀況更加惡劣時，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，但也存在幾個缺點(diǎn)：一是有部分電流經(jīng)過通訊電路環(huán)路流回線路，沒有被電源模塊充分利用；二是并聯(lián)的電感對通訊電路的交流信號有影響；三是大電感的體積龐大，對很多便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)者來說是不可接受的；另外，大電感的寄生電阻也會影響電源效率。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大的問題，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，使整個電源的效率降低。

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圖3: (a)等效電感電路；(b)簡化的電子電感；(c)恒流源。
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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)饋電難以解決的問題，因而被大多數(shù)工程師采用作為IC電話等設(shè)備的電源。該電路可以很好地工作在惡劣的線路狀況中，即使用戶線路等效長度超過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)生了一個問題，因?yàn)榻涣餍盘柡椭绷麟娫措娏鞫剂鹘?jīng)變壓器，所以對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)定的感抗和線性度。這樣的要求對線圈變壓器來說是非?？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)用場合選用不同的饋電電路，而且一個應(yīng)用場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，所以本文沒有討論這種饋電方式。