专利名称：Isdn的u接口用户线路电源模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种从ISDN的U接口用户线路取电的电源模块，特别涉及一种能够在ISDN的U接口用户线路的终端侧取电并供给如公共电话一类的无人值守设备的电源模块。
背景技术：
ISDN的U接口用户线路能馈出100V左右的供电电压。按照ITU制定的标准，在市电停电的情况下，U接口的网络终端设备应从用户线上取出一定的功率，至少能够支持一部电话机的通话业务。一般都采用开关电源模块向用户端的智能设备供电。为此，很多公司开发了U接口用户线路的电源芯片或模块，图1是一种已公开的电源模块结构该电源模块仅包含一个反激式隔离DC/DC变换器，依靠变压器副边的多个不同位置的抽头实现不同的电压输出，在5km长度以内的用户线路上可以直接支持一部电话机通话的业务。该电源模块满足了ISDN业务的最低要求，但存在如下缺陷1供电效率不高带中心抽头的变压器的临近效应很明显，导致损耗增加，因此这样的DC/DC结构的效率受到限制；2供电质量不高反馈电路仅能取样一路电压的输出，或者几路电压的加权输出，很难达到满意的输出稳定度，导致电源的纹波较大；3可靠性差由于线路的阻抗比较大，电源很容易进入双稳态，其中的一个稳态工作点会导致供电效率急剧下降，而使设备的工作受到影响；正是由于上述的缺陷，这种传统的电源模块难以支持更多的业务，所以大多数的ISDN的U接口设备需要配备市电供电的电源适配器。即便如此，U接口的设备仍然时有断线故障发生，因此这样的电源模块很难支撑无人值守设备的工作。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述传统U接口用户线路电源模块的缺陷，提供一种给无人值守设备供电的U接口用户线路电源模块。
为达成上述目的，本实用新型的技术方案为电源模块包括定向电路即整流滤波电路、两级DC/DC变换器、镉镍/氢镍电池组和一个自锁/自断控制电路，两级DC/DC变换器分别为前级反激式隔离DC/DC变换器和后级降压DC/DC变换器，ISDN线路经过整流滤波后形成正负极，前级反激式隔离DC/DC变换器跨接在正负极之间，该变换器的输入正负极连接，自锁/自断控制电路连接在后级降压DC/DC变换器的控制端子上。采用两级高效率的DC/DC变换器前级采用高效率的反激式隔离DC/DC变换器，实现50-100V之间波动的线路电压到较低的直流电压的转换，这个较低的直流电压对镉镍/氢镍电池组充电，然后供给后级高效率的降压DC/DC变换器。后级高效率的降压DC/DC变换器实现5V和3.3V的稳压。
反激式隔离DC/DC变换器包括电流模式脉宽调制器、高频MOS开关管、高频铁氧体变压器和整流管、电阻等元件，脉宽调制器跨接在ISDN线路经过整流滤波后的正负极之间，并且有一个驱动端子连接到高频MOS开关管的栅极，该MOS开关管的漏极和变压器的原边绕组的一端连接，源极通过限流电阻连接到ISDN线路经过整流后的负极，变压器原边绕组的另一端连接到ISDN线路经过整流后的正极，脉宽调制器的供电取自变压器的辅助绕组及其并联着的电容的一端，并且有一个电流检测端子通过电阻和MOS开关管的限流电阻相连，辅助绕组的另一端连接到ISDN线路经过整流后的负极，在变压器的次级绕组的一端连接了整流管，整流管的负极作为初级DC/DC的输出正极，次级绕组另一端作为初级DC/DC的输出负极。ISDN线路经过整流滤波后送给反激式隔离DC/DC变换器，脉宽调制器的驱动端子控制高频MOS开关管，用以控制高频铁氧体变压器的原边绕组产生振荡；振荡过程中的磁能经过变压器次级的整流管整流后，形成8V左右的电压，并给镉镍/氢镍电池组充电；为稳定充电电压，设置了电压取样电路，并将采集到的电压误差信号通过光耦合器反馈至脉宽调制器；脉宽调制器的供电取自变压器的一个辅助绕组。
在反激式隔离DC/DC变换器中设有一个反馈回路，该反馈回路有一个电压取样检测电路，取样检测电路的两个取样电阻串联并跨接在前级DC/DC输出端正负极间，两个取样电阻的连接点和电压取样检测电路的电压比较器同相端连接，电压比较器反相端连接一个基准电压，电压比较器的输出端连接着的光耦合器的发光管正极，发光管的负极和前级DC/DC输出端负极连接，光耦合器的输出晶体管的集电极被连接到脉宽调制器的反馈端，输出晶体管的射级连接到ISDN线路经过整流后的负极。反馈回路也可以采用精密可调稳压基准器件和光耦合器的发光管串联，然后跨接在前级DC/DC输出正负极。
经过前级DC/DC变换器之后形成的8V左右的电压输出给降压DC/DC变换器，该降压DC/DC由两个不同输出电压的降压DC/DC变换器组成，一个产生5V的输出电压，一个产生3.3V的输出电压。
在前级反激式隔离DC/DC变换器的输入端正负极之间并联一个双稳态抑制电路，双稳态抑制电路由取样电阻、电压比较器和二极管组成，两个取样电阻连接在前级DC/DC输入端正负极之间，电阻的中点连接到电压比较器的同相端，反相端接一个基准电压，电压比较器输出通过一个二极管连接到脉宽调制器的一个控制端子。双稳态抑制电路也可采用在前级DC/DC输入端负极上串联电流取样电阻取代电压取样电阻。双稳态抑制电路以检测用户线路电压值而得知该电源模块是否进入低效率的稳态工作点，一旦进入该稳态工作点，脉宽调制器将被关闭或停止振荡，从而远离该低效率稳态工作点。
在镉镍/氢镍电池组并联一个电池组充放电监控电路，该电池组充放电监控电路包括一个电流取样检测电路和一个电池电压检测电路，电流取样电路的取样电阻和电池组串联，该电阻和电池组的连接点输入给一个电压比较器的同相端，比较器的输出连接到反馈回路光耦合器的输入端，电池电压监控电路是一个滞回比较器，比较器的输入端连接到电池组的正极，输出信号提供给负载作为电池容量信息。电流取样检测电路用于限制充电电流，以保护电池，电压监测电路向负载提供电池容量信息。
在后级降压DC/DC变换器的控制端子上连接了一个自锁/自断控制电路，自锁/自断控制电路中逻辑或门电路的一个输入端连接到线路供电状态电路的输出端，另一个输入端提供给负载作为控制端。
本实用新型具有较高的效率、稳定性和可靠性，能够抑制电源模块的双稳态，使电源模块远离低效率的稳态工作点；该电源模块具有后备电源，使得当线路因故中断时，电源模块仍然能够支持无人值守设备的工作；该电源模块提供了一种自锁/自断的控制机制，使得无人值守设备可以控制电源的工作。
图1是一种已公开的U接口用户线路电源模块的结构；图2是本新型实用的原理框图；图3是本新型实用的具体实施例；图4是双稳态抑制电路的具体实施例；图5是自锁/自断控制的具体实施例。
具体实施方式
为更好理解本实用新型的目的、特点和优点，以下结合本实用新型的附图，进一步详细描述。参见图2，该图显示了本新型实用的整体原理和结构，可见本新型实用包含了两级DC/DC变换。由于电源的整体效率等于两极变换器转换效率的乘积，要想达到整体的高效率，每一级DC/DC变换都必须有很高的效率，对于后级DC/DC来说，采用精心设计的降压式DC/DC变换器，转换效率一般都能达到90％以上；前级DC/DC变换器的效率很难做到极高的水平，原因在于高频变压器的损耗很难控制。本新型实用为了提高前级的转换效率，摒弃了传统的U接口用户线路电源模块中使用的带中心抽头的变压器结构(如图1所示)，采用了单次级绕组的变压器。由于次级没有了中心抽头，临近效应所引起的绕组铜损大大降低，从而提高的变换器的效率；此外单次级绕组便于采用初次级交错分层绕制的工艺，可以进一步降低临近效应，同时变压器的漏感大大降低，由漏感引起的瞬间电压脉冲也受到抑制，由此引起的损耗自然也就降低了。因此，采用两级变换的结构虽然增加了一级DC/DC的损耗，但由于变压器结构的改变引起的转换效率的提高却更为可观。
图3为本实用新型的具体实施例，脉宽调制器(PWM)输出脉宽受控的信号控制开关管Q1，在Q1导通期间，线路电压加在初级绕组上，初级绕组的电流线性增加，变压器的磁芯被充磁而储存了能量；在Q1关断期间，磁芯的磁通产生反向电动势，导通D4，从而对电容C2充电，磁芯的磁能转换为电容的电能。反馈回路由R7、R8、OP1、R4、Q2构成，通过采样C2上的电压，来控制光耦的发光，从而使脉宽调制器受控，实现对初级DC/DC的稳压控制。脉宽调制器引入了电流模式，所以有较高的响应速度，同时利用电流的反馈限制了脉冲宽度，可以有效防止变压器的磁芯饱和，在一定程度上也减小了磁心的损耗。稳定工作后，脉宽调制器本身的供电来自一个辅助绕组，而不是从高压侧经限流而得的电压，从而避免了限流电路上的热损耗。D1、D2构成地损耗的吸收回路，用于吸收反向的浪涌电压，以保护开关管。综合这些措施，在＞0.5W的输出功率条件下，图3所示具体实施例的初级DC/DC的效率接近85％。电源的整体效率接近75％，能够从1500mW的U接口用户线路上提取1100mW的功率。
以上所述说明了本实用新型如何实现高效率的目的，由于电源结构上分成了两级，每一级的DC/DC变换器都有各自的反馈回路来稳定各自的输出电压。和图1所示的传统的带中心抽头的变换器结构相比，输出电压的稳定度大为改善，而且各自的输出电压的波动不会相互干扰，因此实现了高稳定度的目标。
由于ISDN的U接口用户线每公里存在200-300欧姆的直流电阻，线路总长度可高达6km。对于线路终端侧的开关电源来说，线路上的直流电阻是其输入电阻，如此高的输入电阻很容易导致电源双稳态现象。当出现双稳态现象时，电源既可以处于高压小电流的稳态工作点，也可以处于低压大电流的稳态工作点，对于后一种状态来说，大部分的功率损耗在用户线上，是我们不希望得到的稳态工作点。图2显示出本实用新型具有电源双稳态抑制电路，该电路可以有效的防止电源进入低效率的稳态工作点，已下将结合图4所式的双稳态抑制电路的具体实施例说明其原理。
电源模块进入低效率稳态工作点的一个显著特征是U接口用户线路电压跌落至不足该线路开路电压的一半。U接口用户线路的开路电压为100V，因此防止电源进入低效率稳态工作点也就是防止线路电压低于50V，为此我们设置了电压比较器U1(参见图4)，一旦线路电压低于50V，取样电阻R2上的电压将低于Vref，于是电压比较器输出低电平，该低电平控制了脉宽调制器，使其关闭，从而迫使线路对C1电容充电，使得线路电压上升。这样就使本新型实用所述的电源模块永远不会进入低效率的稳态工作点。
由基本的电路理论可知当负载阻抗等于输入阻抗时，负载的电压为源电压的一半，得到的输入功率最大。因为上述双稳态抑制电路的判决门限设定在U口用户线路开路电压的一半，所以此电路还达到了这样的一种效果在较长的U接口用户线路上，电源模块总是取得最大的输入功率，也就是说该电源模块的等效阻抗总是自适应于线路条件。因此加入双稳态抑制电路后，本实用新型所述的电源模块的可靠性大大增强。
本实用新型是为无人值守设备供电，一旦U接口用户线路因故障中断，必须有后备电源启动，为设备运行提供保障。这里我们采用了镉镍/氢镍电池组接入两级变换器之间(参见图2)，当电源模块能取到较大的输入功率，或者无人值守设备处于低功耗运行状态时，多余的能量就被存储于镉镍/氢镍电池组。一旦线路因故中断，后级的高效率降压变换器仍然能够从电池组上取得功率输出给无人值守设备。参见图3所时的具体实施例，本实用新型还为镉镍/氢镍电池组配备了充放电监控电路(由OP2、R5、R6、电压监控电路构成)，用来限制电池组的充电电流以保护电池组；同时还能够向无人值守设备提供电池容量信息，以便在电池容量不足时，及时通知该设备。此外为了节省电池组的容量，延长电池组的寿命。当外线因故中断时，应当及时通知无人值守设备，即提供供电状态信号。参见图3所示的具体实施例，该功能由D5、C3、R9实现。其原理是当线路中断时，前级DC/DC变换器终止运行，因此变压器T1中就不存在振荡信号，因此D5、C3也就产生不了检波输出，C3上原来存储的电荷通过R9被释放掉，于是输出一个低电平告警信号。
因为U接口用户线路中断时，无人值守设备失去了通信链路，除了必要的数据备份工作之外，没有继续运行的必要。因此本实用新型提供了一种自锁/自断控制机制，使无人值守设备在做完数据备份的工作之后，可以自行关闭该电源的供电，对节省电池组的容量是很有意义的。
参见图5所示的具体实施例，该自锁/自断控制的核心是一个逻辑或门，或门的一个输入端来自上述供电状态信号。当U接口用户线路正常时，该输入信号为高电平，或门的输出就为高电平，于是后级的DC/DC变换器被开启，向无人值守设备供电。该设备上电复位后，输出一个高电平给或门的另外一个输入端，进一步的维持了输出的高电平。此时即使线路中断，供电状态为低电平，由于无人值守设备仍然维持着或门另外一个输入端的高电平，所以后级的DC/DC变换器仍然保持开启状态，只是此时由电池组向设备供电。无人值守设备在做完数据备份的工作后，将或门另外一个输入端的电平变低，或门的输入就变为低电平，后级的DC/DC被关闭，该设备的供电就终止了。除非线路恢复正常，否则电源模块将一直维持不向设备供电的状态，从而节省了电池组的容量。
上述分别介绍了本实用新型为达成其目的所采取的几个措施，实际上这几个措施之间有机的结合，整体上进一步的提高了电源模块的可靠性由于存在后备电池组，当无人值守设备的瞬间功耗很大时，电池组同时向设备供电，从而减轻了U接口用户线路的负载压力，避免了因瞬间功耗过大而导致交换机复位、掉线等故障；交换机馈电功率瞬间的波动也不会影响无人值守设备的运行；考虑到无人值守设备并不总是处于全功率的运行状态，即使在线路馈电不足的条件下仍然能够满足设备的正常运行。
本文的描述及附图中的实施例是为了描述本实用新型的特点，其目的仅在于熟知相关技术者了解本实用新型的内容并据以实施，并非用于限定本实用新型的申请专利范围。因此，凡依据本实用新型提示的设计思想所完成的等效实施或修改，仍应包含在前述申请专利范围中。
权利要求1.一种从ISDN的U接口用户线路取电的电源模块，其特征在于所述电源模块包括定向电路即整流滤波电路、两级DC/DC变换器、镉镍/氢镍电池组和一个自锁/自断控制电路，两级DC/DC变换器分别为前级反激式隔离DC/DC变换器和后级降压DC/DC变换器，ISDN线路经过整流滤波后形成正负极，前级反激式隔离DC/DC变换器跨接在正负极之间，该变换器输出端的正负极之间跨接镉镍/氢镍电池组并且和后级的降压DC/DC变换器的输入正负极连接，自锁/自断控制电路连接在后级降压DC/DC变换器的控制端子上。
2.根据权利要求1所所述电源模块，其特征在于反激式隔离DC/DC变换器包括电流模式脉宽调制器、高频MOS开关管、高频铁氧体变压器和整流管、电阻等元件，脉宽调制器跨接在ISDN线路经过整流滤波后的正负极之间，并且有一个驱动端子连接到高频MOS开关管的栅极，该MOS开关管的漏极和变压器的原边绕组的一端连接，源极通过限流电阻连接到ISDN线路经过整流后的负极，变压器原边绕组的另一端连接到ISDN线路经过整流后的正极，脉宽调制器的供电取自变压器的辅助绕组及其并联着的电容的一端，并且有一个电流检测端子通过电阻和MOS开关管的限流电阻相连，辅助绕组的另一端连接到ISDN线路经过整流后的负极，在变压器的次级绕组的一端连接了整流管，整流管的负极作为初级DC/DC的输出正极，次级绕组另一端作为初级DC/DC的输出负极。
3.根据权利要求1所述电源模块，其特征在于反激式隔离DC/DC变换器有一个反馈回路，该有一个电压取样检测电路，取样检测电路的两个取样电阻串联并跨接在前级DC/DC输出端正负极间，两个取样电阻的连接点和电压取样检测电路的电压比较器同相端连接，电压比较器反相端连接一个基准电压，电压比较器的输出端连接着的光耦合器的发光管正极，发光管的负极和前级DC/DC输出端负极连接，光耦合器的输出晶体管的集电极被连接到脉宽调制器的反馈端，输出晶体管的射级连接到ISDN线路经过整流后的负极。
4.根据权利要求3所述电源模块，其特征在于反馈回路为精密可调稳压基准器件和光耦合器的发光管串联，然后跨接在前级DC/DC输出正负极。
5.根据权利要求1所述电源模块，其特征在于降压DC/DC变换器由两个不同输出电压的降压DC/DC变换器组成。
6.根据权利要求1-5之一所述电源模块，其特征在于在前级反激式隔离DC/DC变换器的输入正负极之间并联了一个双稳态抑制电路，双稳态抑制电路由取样电阻、电压比较器和二极管组成，两个取样电阻连接在前级DC/DC输入端正负极之间，电阻的中点连接到电压比较器的同相端，反相端接一个基准电压，电压比较器输出通过一个二极管连接到脉宽调制器的一个控制端子。
7.根据权利要求6所述电源模块，其特征在于双稳态抑制电路在前级DC/DC输入端负极上串联电流取样电阻取代电压取样电阻。
8.根据权利要求1所述电源模块，其特征在于在镉镍/氢镍电池组并联一个电池组充放电监控电路，该电池组充放电监控电路包括一个电流取样检测电路和一个电池电压监测电路，电流取样电路的取样电阻和电池组串联，该电阻和电池组的连接点输入给一个电压比较器的同相端，比较器的输出连接到反馈回路光耦合器的输入端，电池电压监控电路是一个滞回比较器，比较器的输入端连接到电池组的正极，输出信号提供给负载作为电池容量信息。
9.根据权利要求1所述电源模块，其特征在于在后级降压DC/DC变换器的控制端子上连接了一个自锁/自断控制电路，自锁/自断控制电路中逻辑或门电路的一个输入端连接到线路供电状态电路的输出端，另一个输入端提供给负载作为控制端。
专利摘要本实用新型公开一种用于ISDN的U接口用户线路取电的电源模块，该电源模块具有两级DC/DC转换结构，转换效率很高；同时使用了双稳态抑制电路并配备了后备电池组。这些措施改善了电源的可靠性和稳定度，特别适合为ISDN线路上的无人值守设备供电，并为此配置了自锁/自断控制电路，便于无人值守设备对电源模块进行控制。
文档编号H04M19/00GK2613940SQ0323558
公开日2004年4月28日 申请日期2003年2月25日 优先权日2003年2月25日
发明者郭春雨 申请人:武汉精伦电子股份有限公司