CN105612683A - 用于产生第二电压源的具有电荷泵的电压调节器 - Google Patents

用于产生第二电压源的具有电荷泵的电压调节器 Download PDF

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CN105612683A
CN105612683A CN201480055172.7A CN201480055172A CN105612683A CN 105612683 A CN105612683 A CN 105612683A CN 201480055172 A CN201480055172 A CN 201480055172A CN 105612683 A CN105612683 A CN 105612683A
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Abstract

一种电压调节器(120)包括：开关(305)，耦合在输入电压端与能量存储元件(310)之间；第一输出电容器(315)，耦合到定义在该开关(305)和该能量存储元件(310)之间的第一节点(330)，该第一电容器(315)耦合到第一输出电压端(325)；电荷泵电路(350)，耦合到该第一节点(330)并包括耦合在第二输出电压端(370)与该第一输出电压端(325)之间的第二输出电容器(365)；以及控制器(130)，可操作来选择性地使该开关(305)能够控制在第一与第二输出端(325、370)处产生的电压。

Description

用于产生第二电压源的具有电荷泵的电压调节器
技术领域
本公开总地涉及远程通信，更具体地涉及用于产生供给电压以支持用户线路的电压调节器。
背景技术
在通信系统中，尤其在电话学中，经由双线双向通信信道在用户站与中心交换局之间传输信号是普通做法。线卡通常将用户站与中心交换局相连接。线卡通常包括至少一个用户线接口电路(SLIC)以及用户线音频处理电路(SLAC)。线卡的功能范围从提供通话电池到执行电路的唤醒时序以允许通信发生。
开发了一些用户线接口电路(SLIC)以在电话中心局中的低电压信号路径与高电压电话用户线之间提供接口。SLIC提供一些功能，诸如摘机检测、振铃信号生成以及向用户线馈送电池。用户线包括电话传输线和用户电话设备，电话传输线包含被称为A与B或尖端与环形的两个导体，用户电话设备耦合在尖端与环形导体上(例如，负载)。响应于接收的电池电压，SLIC将来自电话中心局的电力提供给用户线。向SLIC提供DC电池电压以对SLIC和用户线供电。例如，通常向SLIC提供低负电压源VBL和高负电压源VBH。通常在摘机操作期间使用VBL源以支持呼叫。通常在挂机操作期间使用VBH源以支持振铃。
产生SLIC输入电压的常规技术包括每信道的电源(用于电压源的独立电源)或共享的多输出电源。尽管可利用相对低成本电感器实现每信道电池电压产生，但每信道需要一个电感器，这增加电源所消耗的总成本和不动产。共享的多输出方法需要具有多个输出尖端的单个较高成本的变压器，以允许产生不同的输出电压。
附图说明
通过参照附图，能更好地理解本公开，而且使本公开的许多特征和优点对本领域技术人员是显然的。
图1是根据一些实施例的通信系统的框图。
图2是示出根据一些实施例的图1的系统中的用户线接口电路的电压电平与电源的控制的状态图。
图3是根据一些实施例的图1的系统中的电压调节器功率级的电路图。
图4是示出根据一些实施例的图3的功率级的操作的图。
在不同附图中，相同的附图标记的使用指示相似或完全相同的项。
具体实施方式
图1-4示出产生用于支持用户线的供给电压的示例电路和技术。电压调节器包括用于产生第一供给电压的切换部分和基于该第一供给电压产生第二供给电压的电荷泵部分。可基于接收第一与第二供给电压的用户线接口电路(SLIC)所支持的用户线的操作状态来控制第一与第二供给电压的大小。耦合到切换部分和电荷泵部分的输出电容器可被叠加以阻止第二供给电压响应于第一供给电压的稳态电平减小而崩溃。
图1是通信系统100的简化框图，通信系统100包含用户线音频处理电路105、多个用户线接口电路(SLIC)110、115和电压调节器120。电压调节器120包括功率级125和控制器130。电压调节器120产生供给电压VBH和VBL以供SLIC110、115使用来支持用户线TIP/RING线T/R1、T/R2上的通信。尽管控制器130被示为单独的实体，但它可集成到另一个单元，诸如SLAC105。控制器130包括误差放大器135，采用来自功率级125的反馈(“FB”)和来自SLAC的基准电压(“VREF”)来控制功率级125。
本领域技术人员已知SLIC装置110、115和SLAC装置105的一般操作和配置，因而仅提供高级别描述。SLIC110、115为外围交换用户(FXS)电路提供电接口以便与耦合到TIP/RING线T/R1、T/R2的电话装置通信。SLAC105提供较高级别功能，诸如音频信号转换与处理、全世界(worldwide)阻抗匹配、呼叫控制信号生成与检测以及电池电压控制。
针对VBL供给电压，SLAC105对控制器130配置期望的电压电平VREF。SLAC105可响应于SLIC110、115的运行状态而使VREF变化。因为VBH是基于VBL产生的，使VREF变化将使VBL和VBH两者变化。在操作期间，当SLIC110、115处于闲置状态(挂机)时，SLAC105将VREF的值设定为等同于大约-25V的VBL的值。此VBL设定对应于大约-60V的VBH电平。此VBH值高得足以支持-48V的挂机尖端/环形电压，具有充足的净空(headroom)来传输呼叫者ID信号。如果用户线摘机，其相关联的SLIC110、115将其电压源从VBH切换到VBL以最小化功耗。当SLIC110、115之一处于振铃状态时，VBH电压必须更高以支持所需的峰值振铃电压，大约-70到-80Vpk。因此，SLAC105使VREF增加到相当于大约-35V到-40V的VBL的值，导致VBH增大到大约-80V到-90V。较高值的VBH提供充足的净空来支持干净的正弦振铃波形。其他非振铃线(若闲置)将使用VBH来维持挂机电压。如果非振铃线是活动的，它将使用VBL对摘机用户线提供环路电流。当振铃线不再处于振铃状态时，SLAC105将VBL调节回到-25V以减小功耗。
图2是示出根据一些实施例的图1的系统中的SLIC110、115的电压电平与电源的控制的状态图200。SLIC110、115基于它们的运行状态选择电压源。SLIC110、115各自可独立于另一个SLIC110、115的运行状态选择其电压源。如果与SLIC110、115相关联的用户线挂机，那么SLIC100、115从VBH源汲取电力，如状态210所示。如果用户线摘机，如转变220所示，那么SLIC110、115变化到VBL，如状态230所示。当用户线回到挂机时，如转变240所示，SLIC110、115返回状态210并选择VBH作为其电压源。
SLAC105基于SLIC110、115的运行状态选择VBL的电平。如果没有线在振铃，那么SLAC105将VBL控制在低设定值(例如，VBL＝-25V，VBH＝-60V)，如状态250所示。如果一个或多个SLIC110、115进入振铃状态，如转变260所示，SLAC105则增大VBL的值以便于VBL达到高设定值(例如，VBL＝-35V到-40V、VBH＝-70V到-80V)，如状态270所示。当SLIC110、115都不处于振铃状态时，如转变280所示，SLAC105使VBL返回到状态250中呈现的低设定。
图3是根据一些实施例的图1的电压调节器120的功率级125的电路图。功率级125包括用于产生VBL的切换级300和基于VBL产生VBH的电荷泵级350。切换级300包括电子控制开关305(例如，PNP功率晶体管305)，其耦合在输入电压源VSW与能量存储元件310(例如，电感器310)之间。通过图1的控制器130所产生的脉宽调制输出信号PWM_OUT对开关305进行控制。经由晶体管305储存在电感器中的能量通过二极管320转移到输出电容器315，用于在输出端325产生VBL。电荷泵级350包括耦合到切换节点330的升压电容器355，开关节点330被定义在晶体管305与电感器310之间。升压电容器355经由二极管360耦合到输出电容器365，用于在输出端370产生VBH。二极管375耦合在电荷泵节点380与切换节点330之间，电荷泵节点380被定义在升压电容器355与二极管360之间。
图4是示出根据一些实施例的图3的功率级的操作的图。通常，控制器130基于误差放大器135所提供的反馈信息，设定PWM_OUT信号的占空比以控制VBL的电平。因为开关305在图3中被示为P型器件，当PWM_OUT低时发生接通周期SW_ON，当PWM_OUT高时发生断开周期SW_OFF。切换节点330处的电压由SW信号来表示，且电荷泵节点380处的电压由CP信号来表示。在充电周期期间，由SW_ON来表示，电感器310被充电，如由电感器电流增大来证实。电流以VSW值和电感器310的电感所控制的速率斜变。切换节点330处的电压SW对应于向开关305馈电的电源的电压VSW(例如，12V)。电荷泵节点380处的电压CP标称地对应于VBL减去二极管375的正向二极管压降。在此充电阶段期间，能量积累在电感器310中。二极管320、360是反向偏置的，因此分别防止电流流向输出电容器315、365。由于电压SW是VSW且电压CP是VBL，升压电容器355两端的电压大约为VBL加上VSW(未算上二极管压降)。当电感器310正在充电时，由于二极管360是反向偏置的，二极管375允许升压电容器355被充电到～VBL+VSW。
当开关305断开时，电感器310的磁场崩溃，且SW电压由于电感器反激(flyback)而翻转极性。储存在电感器310中的电流经由二极管320分配到输出电容器315并且经由升压电容器355和二极管360分配到输出电容器365。二极管375是反向偏置的。在断开周期期间，由于SW电压翻转极性，CP电压也翻转极性，但升压电容器355仍维持～VSW加VBL电荷。当电压SW达到VBL值时，电压CP为VBL+VBL+VSW(2xVBL+VSW)。因此，对于低设定，由于VBL＝25且VSW＝12V，VBH＝-62V。对于高设定，由于VBL＝-35且VSW＝12V，VBH＝-82V。来自电感器310的电流对输出电容器315、365两者充电。二极管375用作开关，在电感器310充电时允许电荷添加到升压电容器355，然后二极管375断开，则允许电荷传递到与VBH相关联的输出电容器365。输出电容器315、365为VBL与VBH电压提供滤波和能量存储。尽管对于每一个电压源VBL、VBH仅示出单个输出电容器315、365，在一些实施例中，可使用RC网络(未示出)提供附加的滤波。
VBL电压的稳态值是由控制器130在输出端325处采样VBL值以产生FB信号来调节的。在一些实施例中，控制器130采用固定频率的可变脉宽信号，其中SW_ON可配置为控制开关305的接通时间以影响能量存储元件310被充电到什么程度。增加充电时间则增加从VBL传递的电力，减少充电时间则减少从VBL传递的电力。因此，控制器130根据VBL上的负载设定占空比。误差放大器135监测VBL上的电压，控制器130调节PWM_OUT的占空比以维持适当的电压电平。
为了允许VBH的更好调节，堆叠输出电容器315、365。因此，VBH上的负载将导致能量从输出电容器315、365两者中移除，这将影响VBL值并强迫控制器130进行校正来施加负载。实际上，VBL或VBH上的负载将造成控制器130调节PWM_OUT的占空比以进行补偿。例如，当VBL的稳态值减小到较低的设定点时，如果VBH有比VBL高的电平负载时，那么输出电容器315、365之间的耦合防止VBH崩溃。输出电容器315、365两者将被VBH上的负载耗尽，直到控制130识别此负载并控制占空比来维持VBL为止。在一些实施例中，输出电容器315、365具有相同的电容值，因而它们以相同的速率放电。
在一些实施例中，可由一个或多个处理器执行明确储存在计算机可读介质上的一个或多个软件程序来实施上述功能中的至少一些，其中一个或多个软件程序包含指令，当执行该指令时，操控一个或多个处理器执行上述处理系统的一个或多个功能。
计算机可读存储介质可包括任何存储介质或存储介质的组合，在使用期间可由计算机系统访问，以向该计算机系统提供指令和/或数据。这种存储介质可包括，但不限于：光学介质(例如，压缩光盘(CD)、数字通用盘(DVD)或蓝光盘)、磁性介质(例如，软盘、磁带、或磁性硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或高速缓冲器)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪存)或基于微机电系统(MEMS)的存储介质。计算机可读存储介质可嵌入计算系统(例如，系统RAM或ROM)，可固定地附连到计算系统(例如，磁性硬盘驱动器)，可拆卸地附连到计算系统(例如，光盘或基于通用串行总线(USB)的闪存)，或者可经由有线或无线网络耦合到计算机系统(例如，网络存取存储器(NAS))。
本文所描述的电压调节器和电压管理技术减小电路的成本并降低功耗。切换级300和电荷泵级350共享电感器310，由此减小功率级125的尺寸和成本。基于SLIC110、115的运行状态改变VBL和VBH的稳态值减小功耗，由于仅当需要支持振铃时才产生较高电压。
如本文所公开的，在一些实施例中，电压调节器包括：开关，耦合在输入电压端与能量存储元件之间；第一输出电容器，耦合到定义在开关和能量存储元件之间的第一节点，该第一电容器耦合到第一输出电压端；电荷泵电路，耦合到第一节点并包括耦合在第二输出电压端与第一输出电压端之间的第二输出电容器；以及控制器，可操作来选择性地使开关能够控制在第一与第二输出端处产生的电压。
如本文所公开的，在一些实施例中，一种系统包括：多个用户线接口电路，每一个用户线接口电路可操作来控制多个用户线中的一个的通信，其中每一个用户线接口电路可操作来接收第一和第二控制电压；切换级，可操作来产生第一控制电压；电荷泵级，被耦合以接收第一控制电压并基于第一控制电压产生第二控制电压；以及控制器，可操作来控制切换电压调节器以基于用户线接口电路的运行状态改变第一与第二控制电压的大小。
如本文所公开的，在一些实施例中，一种方法包括；使用切换电压调节器为多个用户线接口电路产生第一控制电压，每一个用户线接口电路可操作来控制多个用户线中的一个的通信；使用耦合以接收第一控制电压的电荷泵级基于第一控制电压来产生多个用户线接口电路的第二控制电压；以及控制切换调节器以基于用户线接口电路的运行状态来改变第一与第二控制电压的大小。
注意，并非一般描述中的所有上述行动或元件都需要，可能不需要一部分特定行动或装置，并且除了已描述的那些以外，可执行一个或多个其他行动或包含其他元件。又进一步，这些行动被列出的顺序也未必是这些活动被执行的顺序。
并且，已参考特定实施例描述这些概念。然而，本领域内技术人员能理解，可做出多种修正和改变而不脱离如下面权利要求书记载的本公开的范围。因此，说明书和附图被认为是示例性的而非限定性的，并且所有这些修正都旨在落入本公开的范围内。
上文中针对具体实施例描述了益处、其它优点以及问题的解决方案。然而，这些益处、优点、问题的解决方案以及可使任何益处、优点或解决方案发生或变得更突出的任何特征(多个)不应当解释为任何或所有权利要求的关键、必需的或实质的特征。

Claims (20)

1.一种电压调节器(120)，包括：
开关(305)，耦合在输入电压端与能量存储元件(310)之间；
第一输出电容器(315)，耦合到定义在所述开关(305)和所述能量存储元件(310)之间的第一节点(330)，所述第一输出电容器(315)耦合到第一输出电压端(325)；
电荷泵电路(350)，耦合到所述第一节点(330)并包括耦合在第二输出电压端(370)与所述第一输出电压端(325)之间的第二输出电容器(365)；以及
控制器(130)，可操作来选择性地使所述开关(305)能够控制在所述第一输出端与第二输出端(325、370)处产生的电压。
2.如权利要求1所述的电压调节器(120)，其特征在于，所述能量存储元件(310)包含电感器。
3.如权利要求1所述的电压调节器(120)，其特征在于，所述控制器(130)可操作以基于在所述第一输出端(325)处的电压来控制提供给所述开关(305)的切换信号的脉宽。
4.如权利要求1所述的电压调节器(120)，其特征在于，进一步包括耦合在所述第一输出电容器(315)与所述第一节点(330)之间的第一二极管(320)，所述第一二极管被设置为在所述能量存储元件(310)的充电阶段期间防止电流从所述能量存储元件(310)流到所述第一输出电容器(315)。
5.如权利要求4所述的电压调节器(120)，其特征在于，所述电荷泵电路(350)包含第三电容器(355)，耦合在所述第一节点(330)与所述第二输出端(370)之间。
6.如权利要求5所述的电压调节器(120)，其特征在于，进一步包括耦合在所述第二输出电容器(365)与所述第三电容器(355)之间的第二二极管(360)，所述第二二极管被设置为在所述能量存储元件(310)的充电阶段期间防止电流从所述第三电容器(355)流到所述第二输出电容器(365)。
7.如权利要求6所述的电压调节器(120)，其特征在于，还包括：
第二节点(380)，定义在所述第三电容器(355)与所述第二二极管(360)之间；以及
第三二极管(375)，耦合在所述第二节点(380)与所述第一输出电容器(315)之间。
8.一种系统(100)，包括：
多个用户线接口电路(110、115)，每一个用户线接口电路可操作来控制在多个用户线中的一个上的通信，其中每一个用户线接口电路(110、115)可操作来接收第一控制电压和第二控制电压；以及
切换级(300)，可操作来产生所述第一控制电压；
电荷泵级(350)，被耦合以接收所述第一控制电压并基于所述第一控制电压产生所述第二控制电压；以及
控制器(130)，可操作来控制所述切换级(300)以基于所述用户线接口电路的运行状态改变所述第一控制电压与第二控制电压的大小。
9.如权利要求8所述的系统(100)，其特征在于，所述切换级(300)包含：
开关(305)，耦合在输入端与能量存储元件(310)之间；
第一输出电容器(315)，耦合到定义在所述开关(305)和所述能量存储元件(310)之间的第一节点(330)以用于从所述能量存储元件(310)接收能量，所述第一输出电容器(315)耦合到第一输出端(325)以用于提供所述第一控制电压；
电荷泵级(350)，耦合到所述第一节点(330)并包括耦合到第二输出端(370)的第二输出电容器(365)，其中所述电荷泵级(350)可操作来基于所述第一控制电压在所述第二输出端(370)处产生所述第二控制电压；以及控制器(130)，可操作来选择性地使所述开关(305)能够在所述第一输出端(325)处产生所述第一控制电压并基于所述用户线接口电路的运行状态改变所述第一控制电压与第二控制电压的大小。
10.如权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述第二输出电容器(365)耦合在所述第二输出端(370)与所述第一输出端(325)之间。
11.如权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述控制器(130)可操作来控制所述开关(305)：响应于所述用户线接口电路(110、115)都没有处于振铃状态以第一电平产生所述第一控制电压；响应于所述用户线接口电路(110、115)中的至少一个处于振铃状态以比所述第一电平的大小更大的第二电平产生所述第一控制电压。
12.如权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述能量存储元件(310)包含电感器。
13.如权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述控制器(130)可操作来基于在所述第一输出端(325)处的电压控制提供给所述开关(305)的切换信号的脉宽。
14.如权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述切换级(300)包括耦合在所述第一输出电容器(315)与所述第一节点(330)之间的第一二极管(320)，所述第一二极管在所述能量存储元件(310)的充电阶段期间防止电流从所述能量存储元件(310)流到所述第一输出电容器(315)。
15.如权利要求14所述的系统(100)，其特征在于，所述电荷泵级(350)包含第三电容器(355)，耦合在所述第一节点(330)与所述第二输出端(370)之间。
16.如权利要求15所述的系统(100)，其特征在于，所述电荷泵级(350)进一步包括耦合在所述第二输出电容器(365)与所述第三电容器之间的第二二极管(360)，以在所述能量存储元件(310)的充电阶段期间防止电流从所述第三电容器(355)流到所述第二输出电容器(365)。
17.如权利要求16所述的系统(100)，其特征在于，所述电荷泵级(300)进一步包括第三二极管(375)，耦合在第二节点(380)与所述第一输出电容器(315)之间，所述第二节点(380)被定义在所述第三电容器(355)与所述第二二极管(375)之间。
18.一种方法，包括：
使用切换电压调节器(120)为多个用户线接口电路(110、115)产生第一控制电压，每一个用户线接口电路(110、115)可操作来控制在多个用户线中的一个上的通信；
使用耦合以接收所述第一控制电压的电荷泵级(350)来基于所述第一控制电压产生所述多个用户线接口电路(110、115)的第二控制电压；以及
控制所述切换电压调节器(120)以基于所述用户线接口电路(110、115)的运行状态改变所述第一控制电压与第二控制电压的大小。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，控制所述切换电压调节器(120)进一步包括控制所述切换电压调节器(120)：响应于所述用户线接口电路(110、115)都没有处于振铃状态以第一电平产生所述第一控制电压；响应于所述用户线接口电路(110、115)中的至少一个处于振铃状态以比所述第一电平的大小更大的第二电平产生所述第一控制电压。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，控制所述切换电压调节器(120)包括基于所述第一输出端的电压控制提供给所述切换电压调节器(120)的切换信号的脉宽。
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