电话线馈电电路分析

本文对从电话线上获取较大功率电源的几种电路进行了分析，比较它们的优缺点，并给出各个电路的适用场合。 在IC卡电话、多功能电话以及其它一些利用电话线进行通信的小型设备中使用电话线馈电电路，可以省去额外的外部电源或电池。
      以前使用的普通电话机只需要很小功率就可满足正常通话的要求。它们利用交换机的馈电和简单的并联或串联线性稳压电路提供的几毫安电流，驱动通话电路工作，而不用过多关心效率与过流保护的问题。
      可是，对于现在很多新型多功能电话机、公用IC卡电话机或利用公用交换网进行远程通信的小型设备来说，几毫安的电源电流远远满足不了需求。如果采用外部供电或电池供电，不但会增加成本，而且还会给用户的使用带来不便。最理想的方案是从线路馈电获取系统电源。但是根据GB/T 15297-2002标准，话机设备在挂机状态下能获取的电流只有500uA左右，在摘机状态下能获取的电流一般在18mA至80mA之间，另外线路阻抗的变化范围也很大，在恶劣状况下会达到1千多欧姆，这时如果采用传统电源电路肯定无法获得足够的功率。
      馈电的基本原理
      交换机采用电压或电流馈电方式向用户电路提供的电压一般为48V，挂机时的馈电电流一般小于500uA，摘机时的馈电电流在18mA至 80mA之间。由此可见，在挂机状态下，用户电路能得到的电流是相当有限的。可喜的是，如今单片机的低功耗技术取得了长足的进步，例如TI的MSP430 单片机能在几十微安的电流下工作。但是在挂机状态下，电话线上的智能设备仍然需要尽可能关闭多余的功能(如液晶显示等)以免产生过流，导致交换机方误判电话终端故障。
      摘机状态下的馈电电流也是有限的。对于一定的线路阻抗，用户电路能从摘机电话线上获得的输入功率取决于所取电压。如果不考虑通讯要求，当所取电压为交换机电源电压的1/2或者输入电阻与线路阻抗相匹配时，用户电路能获得功率最大。但这样做会导致环路电阻过大，影响正常通讯，因此实际所取电压要低得多。这时所获得的功率几乎正比于所取电压，因而获得大功率电源的唯一办法就是在满足正常通讯对环路阻抗要求的情况下尽量提高输入电压。
      但是，利用这种方法获得的输入功率还不能直接供电路使用，因为它只提高了电压，并未增加电流，还需要通过高效率的开关型DC/DC转换器进行功率转换，得到一个低电压、大电流的输出功率。
      挂机馈电电路
 
      图1：挂机馈电电路(恒流源配合线性稳压电路)。
      在挂机状态下有多种馈电方式，恒流源配合线性稳压电路的馈电方式是常用的一种，图1给出了这种馈电方式的电路结构。在该电路中，电桥用来做极性保护，其后的一个恒流源电路与通讯电路并接。电流大小基本由R1决定，约为300uA，这是为了在保证挂机电源供应的同时，不会因为漏电过大而导致交换机方误判电话终端故障。由于电流太小，所以无法使用效率更高的开关电源。通讯电路一般采用变压器耦合以消除对地的不平衡，但如果电路允许，也可采用通讯电路与电桥共地的连接方式来简化电路。
      摘机馈电电路
 
      图2：摘机并联馈电电路。
     摘机馈电电路大致分为两类，馈电电路与通讯电路并联的属于并联馈电，馈电电路与通讯电路串联的属于串联馈电。图2是一种常用的并联馈电电路，大电感L1保证直流馈电不会影响交流信号。对于恶劣的线路状况，如5km长的用户线路，若不考虑通讯电路的影响，齐纳管D5上的电压最大为15V，功率可达340mW。当线路状况更加恶劣时，将齐纳管D5上的电压降低到13V，则可获得300mW左右的功率。利用MAXIM公司的开关频率为 600KHz，效率可达95%的高效DC/DC转换器MAX1685，将这个电压转换成3.3V就可获得85mA的电源电流。
      这种电路工作稳定可靠，但也存在几个缺点：一是有部分电流经过通讯电路环路流回线路，没有被电源模块充分利用;二是并联的电感对通讯电路的交流信号有影响;三是大电感的体积庞大，对很多便携式设备的设计者来说是不可接受的;另外，大电感的寄生电阻也会影响电源效率。因此，图2中的大电感常常被图3中的电子电感或恒流源所代替。这虽然可以解决电感体积过大的问题，但由于采用了三极管，所以不可避免地存在1V以上的固定压降，使整个电源的效率降低。
 
      图3: (a)等效电感电路;(b)简化的电子电感;(c)恒流源。
 
      图4：摘机串联馈电电路。
      如果像图4那样将馈电电路与通讯电路串联，就成了串联馈电电路。串联馈电电路的最大优点是可以利用整个环路电流为系统供电。此外，由于电路是串联的，所以不需要大电感，只需几十毫亨的电感进行电源滤波，这能有效克服并联馈电难以解决的问题，因而被大多数工程师采用作为IC电话等设备的电源。该电路可以很好地工作在恶劣的线路状况中，即使用户线路等效长度超过7km，电压降低到10V，也可获得280mW左右的功率。
      由于电源电路与通讯电路串联，输入阻抗较大，为尽量降低通讯电路的阻抗，通常采用变压器耦合方式。但这也产生了一个问题，因为交流信号和直流电源电流都流经变压器，所以对变压器提出了更高要求。不仅要求变压器有足够大的感抗、良好的线性度，还需要有较小的直流阻抗、良好的散热性，并能承受100mA的电流，且在较大的电流范围内(18～80mA)保持稳定的感抗和线性度。这样的要求对线圈变压器来说是非常苛刻的。
      本文小结
      本文分析的几种馈电电路有各自的优缺点和适用范围，通常需要根据实际应用场合选用不同的馈电电路，而且一个应用场合一般需要的馈电电路不只一种，经常是以上几种电路的组合或变种。当然在有的应用中，馈电电路与通讯电路巧妙地做在了一起，既完成馈电又完成通讯功能，这样虽然有利于缩小体积、降低成本，但不利于调试和供后人借鉴，所以本文没有讨论这种馈电方式。

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