CN104144261B - Dc/dc转换器和用户线路接口电路 - Google Patents

Dc/dc转换器和用户线路接口电路 Download PDF

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Abstract

这里描述了用户线路接口电路(SLIC)。根据本发明的一方面，SLIC包括可操作地耦合到第一用户回路的第一接口电路，以及可操作地耦合到第二用户回路的第二接口电路。SLIC进一步包括电力供应电路，其耦合到所述第一和第二接口电路以向相应的接口电路提供第一和第二输出电压。所述电力供应电路包括切换功率转换器，其可操作地被供应有输入电压并且被配置为在中间电路节点处提供中间电压信号。至少第一和第二输出分支被连接到中间电路节点，每一输出分支包括输出电容器，该输出电容器耦合到所述中间电路节点并提供依赖于中间电压信号的输出电压信号。所述切换功率转换器被配置为反复地将所述中间电压信号的信号电平设置为高电压电平达第一时间间隔以及在所述第一时间间隔过去时设置为低电压电平。

Description

DC/DC转换器和用户线路接口电路
技术领域
本申请涉及用户线路接口电路(SLIC)以及用在SLIC中的DC/DC转换器。
背景技术
用户线路接口电路典型地用在电信网络的电话交换机(电话切换机)中。用户线路接口电路(SLIC)在网络运营商的数字通信网络和模拟用户线路之间提供通信接口。模拟用户线路连接到在远离交换机的位置处的用户站(例如调制解调器或电话，通常称为“用户设备”)。SLIC还用于电缆调制解调器和数字用户线路(DSL)调制解调器(或任意其他类型的调制解调器)，其中语音信号例如经由因特网传声协议(VoIP)被接收，然后被转换成与模拟用户终端设备，特别是POTS终端设备(POTS即普通老式电话系统)兼容的模拟语音信号。在该情况下，调制解调器充当远离中心局的小“电话交换机”。如今，位于用户住所内的标准调制解调器(例如电缆调制解调器)包括两个接口用于连接模拟电话机。
模拟用户线路和用户设备形成用户回路。SLIC通常需要提供相对高的电压和电流用于与用户回路上的用户设备有关的控制信令。对于双向通信，SLIC将从数字网络接收的数字数据变换成低电压模拟信号，用于在用户回路上传输到用户设备，并且反之亦然。一般来说，SLIC通常根据用户设备的操作状态来使用不同的电力供应电平。当用户设备处于“挂机”(备用模式)时，使用第一供应电平，并且当用户设备处于“摘机”(激活模式)时，使用不同的第二供应电平用。两通道或多通道的SLIC为每一通道提供相同功能。通道独立地操作但是可共享一个电力供应。
SLIC以前采用具有线性电压(或电流)调节器的电力供应电路以提供不同电压(或电流)电平，其在电力供应电路内在功率损耗方面是相对无效率的。较新的SLIC架构使用切换功率转换器(也称为切换模式电力供应，或SMPS)以从固定的DC输入电压生成适当的供应电压电平。虽然因为切换功率转换器允许显著地更少的功率损耗而使其一般显著地更有效率，但是仍然存在对以下改进的需要：进一步降低功率损耗，尤其是在两通道或多通道SLIC的供应电路中。
发明内容
这里描述了用户线路接口电路(SLIC)。根据本发明的一方面，SLIC包括可操作地耦合到第一用户回路的第一接口电路，以及可操作地耦合到第二用户回路的第二接口电路。SLIC进一步包括电力供应电路，其耦合到所述第一和第二接口电路以向相应的接口电路提供第一和第二输出电压。所述电力供应电路包括切换功率转换器，其可操作地被供应有输入电压并且被配置为在中间电路节点处提供中间电压信号。至少第一和第二输出分支被连接到中间电路节点。每一输出分支包括输出电容器，该输出电容器耦合到所述中间电路节点并提供依赖于中间电压信号的输出电压信号。所述切换功率转换器被配置为反复地将所述中间电压信号的信号电平设置为高电压电平达第一时间间隔并且在所述第一时间间隔过去时设置为低电压电平。
另外，这里公开了一种用于向第一和第二用户终端供应电力的方法，借此所述用户终端可操作地耦合到对应的用户回路。根据本发明的另一个方面，所述方法包括反复地在第一时间间隔期间把第一和第二电容器充电到高电压电平以及当所述第一时间间隔过去时防止所述第一和第二电容器放电到低于给定低电压电平的电压电平。所述第一和第二电容器分别经由对应接口电路向所述第一和第二用户终端提供电力，所述对应的接口电路通过相应的用户回路耦合到相应用户终端。
附图说明
参考下面的附图和描述可以更好地理解本发明。图中的元件不必须是成比例的，相反地，重点放在图示本发明的原理。此外，在图中，相似的附图标记指定对应的部分。在附图中：
图1是图示连接到位于用户住所的用户终端的电话交换机中的SLIC的方框图；
图2是图示根据本发明的一个示例的SLIC的一个示范性实施方式的方框图；
图3是图示适合用在SLIC中的常规切换功率转换器电路的电路图；
图4是图示根据本发明的一个示例用于在两通道SLIC中使用的改进的切换功率转换器电路的电路图；以及
图5是定时图，图示了由图3的切换功率转换器电路生成的输出电压。
具体实施方式
图1图示了用户线路接口电路(SLIC)的常规使用。例如，SLIC 21位于电话交换机(电话切换机)20中，电话交换机20可以位于服务提供商的中心局或用户回路载波(SLC)内。通常，SLIC 21在位于用户住所10的用户终端11及12(例如电话机)和可以作为公共交换电话网络(PSTN)30的部分的服务提供商的(通常是数字的)电信网络之间提供接口。在该示例中，SLIC 21包括两个分离的通道用于与两个分离的用户终端11及12接口。将用户终端11及12与SLIC 21连接的线路通常称为“用户回路”或“用户线路”，并且在图1中标记为L11和L12。用户回路L11和L12通常使用双绞铜线来实现。此外，SLIC 21包括用于连接到由图1中PSTN 30所代表的数字电信网络的接口。
基本地，用户终端11和12可以操作在两种不同的模式中，即备用模式(“挂机”)和激活模式(“摘机”)。如果这个用户终端处于备用模式中，则SLIC 21通常向已连接的用户终端提供例如42-48伏的相对高的DC电压。然而，该用户终端在备用模式下不消耗显著的供应电流。如果已连接的用户终端处于激活模式中，SLIC 21提供大约25毫安的恒定电流，其中该用户终端具有大约300欧姆的“摘机”电阻器。因此SLIC 21向激活模式中的用户终端提供大约7.5伏的相对低的DC电压。所提到的电流、电压和电阻器值必须被视为示例。然而，实际的值通常由服务提供商、管理当局或立法者定义，并且在不同的国家可以是不同的。
图2更详细地图示了图1的SLIC。在该示例中，SLIC 21包括两个接口电路211和212，用于分别接口到对应的用户回路L11和L12。接口电路211和212两者都被配置为分别从已连接的用户终端11和12接收信号，根据使用的传输标准转换信号，以及将转换的信号传输给电信网络30。类似地，接口电路211和212两者都被配置为从电信网络30接收信号，适当地转换信号以经由对应的用户回路传输给期望的用户终端。以这样的方式，实现了双向传输。为了提供以上提到的电压和电流电平，使用切换功率转换器220供应接口电路211和212。应当注意的是，图2不是SLIC的完整图示。出于简洁的目的，已经省略了本身非常熟知的元件以及与本讨论无关的元件。
切换功率转换器220可以是DC/DC转换器，其被供应有输入电压VIN并且被配置为生成第一和第二输出电压信号VOUT1和VOUT2。这些输出电压信号VOUT1和VOUT2分别被供应给接口电路211和212。稍后将关于图4和图5描述切换功率转换器220的功能和操作。
图3图示了常规用在SLIC中的单输出切换功率转换器的基本结构。当在两通道(或多通道)SLIC中使用单输出切换功率转换器时，必须为每一通道提供一个分离的切换功率转换器，或者可替代地，相同的输出电压VOUT必须被提供给两个通道。两种选项都有不期望的后果。提供两个分离的切换功率转换器是相当昂贵的解决方案，然而对两个通道(即，对接口电路211和212两者)使用相同的输出电压VOUT带来大量的功率损耗，特别是当连接到第一通道的用户终端处于激活模式并且连接到第二通道的用户终端处于备用模式时。在该情况下，切换功率转换器将必须为连接到处于备用模式的用户终端的通道提供高电压电平(例如42伏)，并且同时为连接到处于激活模式的用户终端的通道提供所需要的电流(例如25毫安)。当两个用户终端中只有一个处于激活模式时可能因此发生高于2瓦的功率损耗。如上面参考图2所讨论的，为了降低功率损耗而同时保持低成本(通过最小化昂贵电路元件的数目)，在SLIC中使用图4的示范性多输出切换功率转换器220。在讨论图4之前，简单解释图3的基本切换转换器。
输入电压VIN被施加在半导体开关S1和电感器L1的串联电路两端。串联电路连接在输入电路节点(在该处提供输入电压VIN)和参考电位(例如地电位)之间。该串联电路的共用电路节点N1(即半导体开关S1和电感器L1之间的中间分接头)被连接到二极管D1的阴极。二极管D1的阴极连接到电路节点N2，电路节点N2经由第一电容器C1耦合到参考电位，例如地电位。实质上，输出电压可以在电路节点N2处被分接。然而，RC低通用于降低输出电压波动。也即，在电路节点N3处提供输出电压，电路节点N3经由电阻器R1连接到电路节点N2并经由第二电容器C2连接到参考电位。可以看出，电阻器R1和第二电容器C2形成RC低通。输出电压VOUT依赖于输入电压VIN和半导体开关S1的切换操作，半导体开关S1通常由控制器电路控制；这本身是已知的并且因此在图3的当前图示中被省略。电感器L1、半导体开关S1和必须是快速恢复二极管的二极管D1是最成本敏感的电路元件。第一电容器C1应当是陶瓷电容器，而第二电容器可以是电解电容器。
图4的多输入切换转换器220包括(例如单输出)切换功率转换器电路，其提供一个中间电压信号VC1和用于把VC1的电压电平分配给多输出切换转换器220的输出的两个输出分支。在该示例中，多输出切换转换器具有两个输出，其分别提供第一和第二输出电压信号VOUT1和VOUT2。然而，依赖于实际应用可以提供另外的输出分支。这些输出电压信号VOUT1和VOUT2依赖于中间电压VC1。提供中间电压信号VC1的切换功率转换器电路包括半导体开关S1、电感器L1和第一电容器C1，并且被类似于之前图3的示例而建立。因此，输入电压VIN被施加在半导体开关S1和电感器L1的串联电路两端。该串联电路连接在输入电路节点(在该处输入电压VIN被提供)和参考电位(例如地电位GND)之间。该串联电路的共用电路节点N1(即半导体开关S1和电感器L1之间的中间分接头)被连接到二极管D1的阴极。二极管D1的阴极连接到电路节点N2，电路节点N2经由第一电容器C1耦合到参考电位(例如地电位)。电容器C1两端的电压信号是前面提到的中间电压信号VC1。因此，电路节点N2可以被视为单输出切换转换器的输出，该单输出切换转换器提供中间电压信号VC1作为输出信号。中间电压信号VC1依赖于输入电压和半导体开关S1的切换操作，其中半导体开关S1由控制电路CTL控制。
不同于前面的示例，电路节点N2被连接到两个分离的输出分支。第一输出分支包括二极管D2、电阻器R2和第一输出电容器C2，并且第二输出分支包括另一二极管D3、另一电阻器R3和第二输出电容器C3。应当注意的是，二极管D2和D3通常可以被视为半导体开关，其被配置为防止经由电路节点N2分别对输出电容器C2和C3的放电。例如，二极管D2或D3可以被适当地被驱动的半导体开关代替。在其处提供输出电压信号VOUT1和VOUT2的输出分支的输出电路节点分别被标志为电路节点N3和N4。因此，经由二极管D2和电阻器R2的串联电路，电路节点N2(在该处中间电压信号VC1被提供)被连接到第一输出节点N3(在该处第一输出电压VOUT1被提供)。另外，经由二极管D3和电阻器R3的串联电路，电路节点N2还被连接到第二输出节点N4(在该处第二输出电压VOUT2被提供)。输出节点N3和N4二者分别经由输出电容器C2和C3接到参考电位。同前面的示例相似，电阻器R2和电容器C2形成第一RC低通，而电阻器R3和电容器C3形成第二RC低通。当输出电压VOUT1和VOUT2低于电路节点N2处的电压VC1时，二极管D2和D3防止电容器C1不期望的放电。输出电压VOUT1和VOUT2依赖于输入电压VIN和半导体开关S1的切换操作，半导体开关S1由控制电路CTL控制。
控制电路CTL为半导体开关S1生成适当的驱动信号，半导体开关S1可以是任意的类型，比如MOS晶体管或双极结晶体管。出于控制目的，控制电路可以接收代表电压VC1或输出电压VOUT1和VOUT2中任一个的反馈信号。切换功率转换器的操作使用图5的定时图表来图示。根据图5的示例，控制电路被配置为驱动半导体开关S1周期性地开和关，使得中间电压信号VC1在第一电平VH(例如42伏)持续相对短的第一时间间隔TH(例如TH＝1ms)，并且然后在第二较低电平VL(例如7.5伏)持续相对长的第二时间间隔TL(例如TL＝9ms)。在该示例中，规则地遵照周期时间TC＝VH+TL生成第一电压电平VH。然而，第一电压电平不必要以固定的频率重复。生成的电压VC1的一个示范性波形图示在图5中。应当注意的是，中间电压VC1和输出电压VOUT1和VOUT2也可以是负的。还应当注意的是，当提到“高电压电平”或“低电压电平”时，其是所提及的电压电平的量值(绝对值)。因此相比-7.5伏的低电压电平，-40伏的电压电平被认为是高电压电平。
为进一步讨论，假定输出电压VOUT1被供应给连接到处于激活模式的用户终端11的接口电路211，而输出电压VOUT2被供应给连接到处于备用模式的用户终端12的接口电路212。因此，近似零电流被提供给用户回路L12(备用)，而期望的负载电流(例如25mA)被提供给用户回路L11(激活)。在时间间隔TH期间，电容器C1和输出电容器C2和C3被充电到近似相同的电压VH(当忽略二极管D2和D3两端的电压降时)。因此，输出电压VOUT1和VOUT2在时间间隔VH期间处于期望的高电平VH。在时间间隔TL期间，中间电压信号VC1下降到低电平VL。然而，输出电压VOUT2保持在相对高的电平，并且在接下来的时间间隔TL期间仅轻微下降，因为已连接的用户终端12处于备用模式并且仅吸收非常低的静态电流。同时，处于激活模式的用户终端12吸收期望的电流(例如25mA)；因此电容器C2相对快地放电，并且因此，对应的输出电压下降到(近似)低电平VL。输出电压VOUT1和VOUT2的对应波形也描绘在图5中。
当SLIC 21的两个通道(参见图2)中仅有一个是激活的而另一个是备用模式时，采用图5中图示的切换方案允许显著降低功率损耗。在测试结构中已经测量了损耗，并且能够从2瓦以上(一个输出电压VOUT用于两个通道)降低到0.5瓦以下(图4的多输出切换转换器)。最后，应当注意的是，以上讨论的示例指的是使用反相降压-升压转换器拓扑的切换转换器。然而，根据预期应用的需要，可以应用其他转换器拓扑(例如回扫转换器、反相升压转换器等)。
尽管已经公开了本发明的各种示范性实施例，但对本领域技术人员将显而易见的是，可以做出将实现本发明的一些优势的各种改变和修改，而不背离本发明的精神和范畴。对本领域合理技术人员将明显的是，执行相同功能的其他元件可以适当地替换。应当提到的是，参考特定图解释的特征可以与其他图的特征组合，甚至在没有明确提及的地方。而且，本发明的方法可以在使用适当处理器指令的所有软件实施方式中实现，或者在利用实现相同结果的硬件逻辑和软件逻辑的组合的混合实施方式中实现。本发明概念的这些修改意图所附的权利要求覆盖。

Claims (14)

1.一种用户线路接口电路，包括：
第一接口电路，可操作地耦合到第一用户回路；
第二接口电路，可操作地耦合到第二用户回路；
电力供应电路，耦合到第一接口电路和第二接口电路，以分别向第一接口电路和第二接口电路提供第一和第二输出电压；所述电力供应电路包括：
切换功率转换器，可操作地被供应有输入电压并且被配置为在中间电路节点处提供中间电压信号；
至少第一和第二输出分支，每一输出分支包括输出电容器，所述输出电容器耦合到所述中间电路节点并提供依赖于中间电压信号的输出电压信号，
其中所述切换功率转换器被配置为反复地将所述中间电压信号的信号电平设置为高电压电平达第一时间间隔以及在所述第一时间间隔过去之后设置为低电压电平，
其中每一输出分支包括二极管，该二极管把所述中间电路节点与所述输出分支的输出电路节点耦合。
2.如权利要求1的用户线路接口电路，其中每一输出分支包括电阻器，每一输出分支的所述电阻器和所述输出电容器形成RC低通。
3.如权利要求1的用户线路接口电路，其中每一输出分支包括电感器，每一输出分支的所述电感器和所述输出电容器形成LC低通。
4.如权利要求1的用户线路接口电路，其中每一输出分支包括串联耦合的二极管和电阻器，每一输出分支的所述电阻器和输出电容器形成RC低通，所述二极管连接所述中间电路节点和所述RC低通。
5.如权利要求1的用户线路接口电路，其中每一输出分支包括串联耦合的二极管和电感器，每一输出分支的所述电感器和输出电容器形成LC低通，所述二极管连接所述中间电路节点和所述LC低通。
6.如权利要求4或5的用户线路接口电路，其中在每一输出分支中，所述二极管被布置使得所述二极管防止所述输出电容器经由所述中间电路节点放电。
7.如权利要求1的用户线路接口电路，其中所述切换功率转换器被配置为周期性地设置所述中间电压信号的信号电平，并且以周期时间设置到高电压电平达第一时间间隔以及当所述第一时间间隔过去时设置到低电压电平。
8.如权利要求7的用户线路接口电路，其中所述第一时间间隔和所述周期时间的比率定义占空比，并且其中所述占空比等于或低于0.1（10%）。
9.如权利要求7的用户线路接口电路，其中所述第一时间间隔小于10ms，所述周期时间小于100ms。
10.如权利要求1的用户线路接口电路，其中所述切换功率转换器包括电感器、半导体开关和电容器，所述电容器耦合在所述中间电路节点和提供参考电位的另一个电路节点之间。
11.如权利要求10的用户线路接口电路，其中根据反相升压-降压转换器拓扑来布置所述电感器、半导体开关和电容器。
12.一种用于向第一和第二用户终端供应电力的方法，所述第一和第二用户终端可操作地耦合到对应的第一和第二用户回路；所述方法包括：
反复地在第一时间间隔期间把第一和第二电容器充电到高电压电平以及当所述第一时间间隔过去时防止所述第一和第二电容器放电到低于给定低电压电平的电压电平，
其中，所述第一和第二电容器分别经由对应接口电路向所述第一和第二用户终端提供电力，所述对应接口电路通过相应的用户回路耦合到相应用户终端。
13.如权利要求12的方法，其中根据周期时间周期地发起对所述第一和第二电容器的充电。
14.如权利要求12的方法，其中可控制的电压源经由对应的第一和第二电阻器及第一和第二二极管分别对所述第一和第二电容器各自充电。
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