TWI603605B - 具有用以產生第二電壓源之電荷泵的電壓調節器、使用此電壓調節器之通信系統以及在此系統中調節電壓之方法 - Google Patents

具有用以產生第二電壓源之電荷泵的電壓調節器、使用此電壓調節器之通信系統以及在此系統中調節電壓之方法 Download PDF

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TWI603605B TW103134730A TW103134730A TWI603605B TW I603605 B TWI603605 B TW I603605B TW 103134730 A TW103134730 A TW 103134730A TW 103134730 A TW103134730 A TW 103134730A TW I603605 B TWI603605 B TW I603605B
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美高森美半導體美國公司
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Description

具有用以產生第二電壓源之電荷泵的電壓調節器、使用此電壓調節器之通信系統以及在此系統中調節電壓之方法
本揭露大體上係有關於電信，以及更特別地，係有關於一種用以產生電源電壓以支持用戶線之電壓調節器。
在特別是電話之通信系統中，常用的做法是經由一雙線雙向通信頻道在一用戶站(subscriber station)與一中央交換局(central switching office)間傳送信號。一線卡(line car)通常使該用戶站連接至該中央交換局。一線卡通常包括至少一用戶線介面電路(SLIC)及一用戶線聲頻處理電路(SLAC)。該線卡之功能從供應通話電池(talk battery)至執行電路之喚醒順序來允許通信之發生。
已發展用戶線介面電路(SLICs)，在一電話中央交換局中之一低壓信號路徑與一高壓電話用戶線間提供一介面。該SLIC提供像摘機(off-hook)偵測、振鈴信號產生及至該用戶線之電池供電的功能。該用戶線係由一電話傳輸線(包括稱為A線及B線或端線及環線之兩條導線)與橫跨端線及環線所耦接之用戶電話設備(亦即，負載)所組成。一SLIC從該電話中央交換局提供電力至該用戶線，以回應一接收電池電壓。提供DC電池電壓至該SLIC，以供電至該SLIC及該用戶線。例如，通常提供一低負電壓源VBL及一高負電壓源VBH至該SLIC。通常在摘機(off-hook)操作期間使用該VBL源，以支持一次通話。通常 在掛機(on-hook)操作期間使用該VBH源，以支持振鈴。
用以產生該SLIC輸入電壓之傳統技術包括每頻道電源(用於電壓源之個別電源)或共享多輸出電源。雖然可以一相對低成本電感器來實施每頻道電池電壓產生，但是每頻道需要一個電感器，此貢獻該等電源所耗費之總成本及房地產。一種共享多輸出方法需要具有多輸出分接頭之單一較高成本變壓器，以允許產生不同的輸出電壓。
100‧‧‧通信系統
105‧‧‧用戶線聲頻處理電路
110‧‧‧用戶線介面電路
115‧‧‧用戶線介面電路
120‧‧‧電壓調節器
125‧‧‧功率級
130‧‧‧控制器
135‧‧‧誤差放大器
200‧‧‧狀態圖
210‧‧‧狀態
220‧‧‧變遷
230‧‧‧狀態
240‧‧‧變遷
250‧‧‧狀態
260‧‧‧變遷
270‧‧‧狀態
280‧‧‧變遷
300‧‧‧交換級
305‧‧‧電控開關(PNP功率電晶體)
310‧‧‧能量儲存元件(電感器)
315‧‧‧輸出電容器
320‧‧‧二極體
325‧‧‧輸出端
330‧‧‧交換節點
350‧‧‧電荷泵級
355‧‧‧升壓電容器
360‧‧‧二極體
365‧‧‧輸出電容器
370‧‧‧輸出端
375‧‧‧二極體
380‧‧‧電荷泵節點
CP‧‧‧電壓
FB‧‧‧回授
PWM_OUT‧‧‧脈衝寬度調變輸出信號
SW‧‧‧電壓
SW_ON‧‧‧導通週期
SW_OFF‧‧‧關閉週期
T/R1‧‧‧TIP/RING線
T/R2‧‧‧TIP/RING線
VBL‧‧‧供應電壓
VBH‧‧‧供應電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VSW‧‧‧輸入電壓源
可以最佳了解本揭露，以及藉由參考所附圖式可使它的許多特徵及優點對熟習該項技藝者是顯而易知的。
圖1係依據一些具體例之通信系統的方塊圖。
圖2係描述依據一些具體例之圖1的系統中之用戶線介面電路的電壓位準及電壓源之控制的狀態圖。
圖3係依據一些具體例之圖1的系統中之電壓調節器功率級的電路圖。
圖4係描述依據一些具體例之圖3的功率級之操作的曲線圖。
在不同圖式中之相同元件符號的使用表示相似或相同項目。
圖1至4描述用以產生支撐一用戶線之供應電壓的實例電路及技術。一電壓調節器包括一用以產生一第一供應電壓之交換部及一用以根據該第一供應電壓產生一第二供應電壓之電荷泵部。可以根據由接收該第一及第二供應電壓之用戶線介面電路(SLICs)所支持之該用戶線的操作狀態來控制該第一及第二供應電壓之大小。可以堆疊 被耦接至該交換部及該電荷泵部之輸出電容器，抑制該第二供應電壓之減弱(collapse)，以回應該第一供應電壓之穩態位準的降低。
圖1係一通信系統100之簡化方塊圖，其包括一用戶線聲頻處理電路105、複數個用戶線介面電路(SLICs)110、115及一電壓調節器120。該電壓調節器120包括一功率級125及一控制器130。該電壓調節器120產生用於該等SLIC 110、115之供應電壓VBH及VBL，以便支持透過用戶線TIP/RING線T/R1、T/R2之通信。雖然該控制器130被描述為一個別實體，但是可以將它整合至像該SLAC 105之另一單元中。該控制器130包括一使用來自該功率級125之回授(“FB”)及來自該SLAC 105之參考電壓(“VREF”)的誤差放大器135，以控制該功率級125。
熟習該項技藝之一般人士知道SLIC裝置110、115及SLAC裝置105之一般操作及配置，所以只提供高層次的描述。該等SLIC 110、115對一外部交換用戶(FXS)電路提供電子介面，以便與一被耦接至該等TIP/RING線T/R1、T/R2之電話裝置通信。該SLAC 105提供高層次功能，例如，聲頻信號轉換及處理、全球阻抗匹配、通話控制信號產生及偵測及電池電壓控制。
該SLAC 105針對該VBL供應電壓使該控制器130裝配有該期望電壓位準VREF。該SLAC 105可以改變VREF，以回應該等SLIC 110、115之操作狀態。因為根據VBL產生VBH，所以VREF之改變將改變VBL及VBH。在操作期間，該SLAC 105設定VREF之數值，以等同於VBL之約-25V的數值，而該等SLIC 110、115處於閒置狀態(掛機)。此VBL設定對應於約-60V之VBH位準。此VBH值足夠高，以充分餘量(headroom)支持-48V之掛機端線/環線電壓及亦傳送呼 叫者識別信號。如果一用戶線處於摘機狀態，則它的相關SLIC 110、115將它的電壓源從VBH切換至VBL，以最小化功率消耗。當該等SLIC 110、115中之一處於振鈴狀態時，該VBH電壓必須較高，以支持約-70至-80Vpk之所需尖峰振鈴電壓。結果，該SLAC 105增加VREF，以對應於VBL之約-35V至-40V的數值，導致VBH增加至約-80至-90V。VBH之較高數值提供充分餘量，以支持一乾淨正弦振鈴波形。在閒置之條件下，另一非振鈴線將使用VBH，以維持掛機電壓。如果該非振鈴線啟動，則它將使用VBL，以提供迴路電流至該摘機用戶線。當該振鈴線不再處於該振鈴狀態時，該SLAC 105調整VBL返回-25V，以減少功率耗損。
圖2係描述依據一些具體例之圖1的系統100中之SLIC 110、115的電壓位準及電壓源之控制的狀態圖200。該等SLIC 110、115根據它們的操作狀態選擇一電壓源。每一SLIC 110、115可以選擇它的電壓源而無關於另一SLIC 110、115之操作狀態。如果與一SLIC 110、115相連之該用戶線處於掛機，則如狀態210所示，該SLIC 110、115從該VBH源吸取功率。如果該用戶線如變遷220所示變成摘機，則該SLIC 110、115如狀態230所示改變至VBL。當該用戶線如變遷240所示變回掛機時，該SLIC 110、115返回狀態210及選擇VBH做為它的電壓源。
該SLAC 105根據該等SLIC 110、115之操作狀態控制VBL之位準。如果沒有線處於振鈴，則該SLAC 105如狀態250所示控制VBL在一低設定值(例如，VBL=-25V，VBH=-60V)。如果一個或一個以上SLIC 110、115如變遷260所示進入一振鈴狀態，則該SLAC 105如狀態270所示增加VBL之數值至一高設定值(例如，VBL=-35V 至-40V，VBH=-70V至-80V)。當該等SLIC 110、115如變遷280所示沒有處於振鈴狀態時，該SLAC 105如狀態250所示使VBL返回至該低設定。
圖3係依據一些具體例之圖1的電壓調節器120之功率級125的電路圖。該功率級125包括一用以產生VBL之交換級300及一用以根據VBL產生VBH之電荷泵級350。該交換級300包括一耦接於一輸入電壓源VSW與一能量儲存元件310(例如，一電感器310)間之電控開關305(例如，一PNP功率電晶體305)。以一由圖1之控制器130所產生的脈衝寬度調變輸出信號PWM_OUT控制該開關305。將經由該電晶體305在該電感器310中所儲存之能量經由一二極體320轉移至一輸出電容器315，以便在一輸出端325上產生VBL。該電荷泵級350包括一耦接至一在該電晶體305與該電感器310間所界定之交換節點330的升壓電容器355。該升壓電容器355經由一二極體360耦接至一輸出電容器365，以便在一輸出端370上產生VBH。在該升壓電容器355與該二極體360間所界定之一電荷泵節點380與該交換節點330間耦接一二極體375。
圖4係描述依據一些具體例之圖3的功率級之操作的曲線圖。通常，該控制器130設定該PWM_OUT信號之工作週期，以根據該誤差放大器135所提供之回授資訊控制VBL之位準。因為該開關305在圖3中被描述為一P型裝置，所以當PWM_OUT為低位準時，發生導通週期SW_ON，以及當PWM_OUT為高位準時，發生關閉週期SW_OFF。以SW信號來表示在該交換節點330上之電壓，以及以CP信號來表示在該電荷泵節點380上之電壓。在一以SW_ON表示之充電週期期間，如電感器電流漸增所示，充電該電感器310。在該交換 節點330上之電壓SW對應於供電給該開關305之電壓源VSW的電壓(例如，12V)。在該電荷泵節點380上之電壓CP對應於VBL名義上差該二極體375之順向二極體壓降。在此充電階段期間，在該電感器310中建立能量。該等二極體320、360被施加反向偏壓，以及因而，防止電流分別流入該等輸出電容器315、365。因為該電壓SW為VSW及該電壓CP為VBL，所以橫跨該升壓電容器355之電壓為約VBL加上VSW(沒有計入二極體壓降)。當充電該電感器310時，在該二極體360被施加反向偏壓下該二極體375允許該升壓電容器355被充電高達至~VBL+VSW。
當關閉該開關305時，該電感器310之磁場減弱，以及該SW電壓因電感器反馳(inductor flyback)而反轉極性。將在該電感器310中所儲存之電流經由該二極體320分配至該輸出電容器315以及經由該升壓電容器355及該二極體360分配至該輸出電容器365。施加反向偏壓至該二極體375。在該關閉期間，當該SW電壓反轉極性時，該CP電壓亦反轉極性，但是該升壓電容器355仍然維持~VSW加上VBL電荷。當該電壓SW達到該VBL值時，該電壓CP為VBL+VBL+VSW(2×VBL+VSW)。因此，對於VBL=-25V及VSW=12V之低設定，VBH=-62V。對於VBL=-35V及VSW=12V之高設定，VBH=-82V。來自該電感器310之電流充電兩個輸出電容器315、365。當該電感器310充電時，該二極體375充當一允許電荷被加至該升壓電容器355之開關，以及接著，該二極體375關閉，以允許將電荷傳遞至與VBH相連之該輸出電容器365。該等輸出電容器315、365提供用於VBL及VBH電壓之濾波及能量儲存。雖然對於每一電壓源VBL、VBH只描述單一輸出電容器315、365，但是在一些具體例中， 可以使用RC網路(未顯示)來提供額外的濾波。
該控制器130藉由在該輸出端325上取樣VBL之數值，產生該FB信號，以調節該VBL電壓之穩態值。在一些具體例中，該控制器130使用一固定頻率及可變脈衝寬度信號，其中SW_ON係可配置成用以控制該開關305之導通時間，以影響該能量儲存元件310可被充電多少。充電時間之增加而增加從VBL傳遞之功率及充電時間之減少而減少從VBL傳遞之功率。因此，該控制器130根據在VBL上之加載來設定該工作週期。該誤差放大器135監控在VBL上之電壓，以及該控制器130調整PWM_OUT之工作週期，以維持適當電壓位準。
為了容許VBH之較佳調節，堆疊該等輸出電容器315、365。因此，在VBH上之加載將促使能量從兩個輸出電容器315、365被移除，此將影響該VBL值及迫使該控制器130所做之校正對付該負載。實際上，在VBL或VBH上之加載將促使該控制器130，以調整PWM_OUT之工作週期來補償。例如，當VBL之穩態值減少至較低設定點時，在該等輸出電容器315、365間之耦合防止VBH在以比VBL高之位準加載的情況下減弱。在VBH上之負載將使兩個輸出電容器315、365之電荷減少，直到該控制器130辨識該加載及控制該工作週期來維持VBL為止。在一些具體例中，該等輸出電容器315、365具有相同電容值，所以它們以相同速率來放電。
在一些具體例中，可以藉由一個或一個以上處理器執行在一電腦可讀取媒體上所明確儲存之一個或一個以上軟體程式，以實施上述至少一些功能，以及藉此，該一個或一個以上軟體程式包括在被執行時用以操控該一個或一個以上處理器來實施上述處理系統之一 個或一個以上功能的指令。
一電腦可讀取儲存媒體可以包括任何儲存媒體或儲存媒體之組合，其在使用期間可被一電腦系統存取，以提供指令及/或資料至該電腦系統。這樣的儲存媒體可以包括但不侷限於光學媒體(例如，光碟(CD)、多樣化數位光碟(DVD)或藍光光碟)、磁性媒體(例如，軟磁碟、磁帶或磁硬碟)、揮發性記憶體(例如，隨機存取記憶體(RAM)或快取記憶體)、非揮發性記憶體(例如，唯讀記憶體(ROM)或快閃記憶體)或以微機電系統(MEMS)為基礎之儲存媒體。該電腦可讀取儲存媒體可以被嵌進該電腦系統中(例如，系統RAM或ROM)中、固定地安裝至該電腦系統(例如，磁硬碟)、可移除地安裝至該電腦系統(例如，光碟或以通用串列匯流排(USB)為基礎之快閃記憶體)或經由一有線或無線網路耦接至該電腦系統(例如，網路儲存裝置(NAS))。
在此所述之電壓調節器及電壓管理技術降低電路之成本及減少功率消耗。該交換級300及該電荷泵級350共用該電感器310，藉以減少該功率級125之尺寸及成本。根據該等SLIC 110、115之操作狀態來改變VBL及VBH之穩態值，可減少功率消耗，因為只在需要支持振鈴時，產生較高電壓。
如上所揭露，在一些具體例中，一種電壓調節器包括一耦接於一輸入電壓端與一能量儲存元件間之開關、一耦接至一在該開關與該能量儲存元件間所界定之第一節點的第一輸出電容器(該第一電容器耦接至一第一輸出電壓端)、一耦接至該第一節點且包括一耦接於一第二輸出電壓端與該第一輸出電壓端間之第二輸出電容器的電荷泵電路以及一可操作來選擇性地使該開關能控制在該第一及第二輸出端上所產生之電壓的控制器。
如在此所揭露，在一些具體例中，一種系統包括複數個用戶線介面電路，每一用戶線介面電路係可操作的，以控制透過複數個用戶線中之一的通信，其中每一用戶線介面電路係可操作的，以接收第一及第二控制電壓；一交換級，其係可操作的，以產生該第一控制電壓；一電荷泵級，其耦接成用以接收該第一控制電壓及根據該第一控制電壓產生該第二控制電壓；以及一控制器，其係可操作，以控制該交換電壓調節器，以便根據該等用戶線介面電路之操作狀態改變該第一及第二控制電壓之大小。
如在此所揭露，在一些具體例中，一種方法包括使用一交換電壓調節器對複數個用戶線介面電路產生一第一控制電壓，每一用戶線介面電路係可操作的，以控制透過複數個用戶線中之一的通信；使用一耦接成用以接收該第一控制電壓之電荷泵級，根據該第一控制電壓對該複數個用戶線介面電路產生一第二控制電壓；以及控制該交換調節器，以根據該等用戶線介面電路之操作狀態改變該第一及第二控制電壓之大小。
注意到，不是需要在上面一般敘述中描述之所有的動作或元件、可以不需要一特定動作或裝置之一部分以及除了所述之那些動作及元件外，還可以實施一個或一個以上另外的動作或包括一個或一個以上另外的元件。
並且，已描述關於特定具體例之觀念。然而，熟習該項技藝之一般人士察覺到，在不脫離下面申請專利範圍所述之本揭露的範圍下可實施各種修改及變更。於是，本說明書及圖式將被視為描述用而非限定用，以及所有這樣的修改意欲包含於本揭露之範圍內。
已描述關於特定具體例之益處、其它優點及問題的解決 方式。然而，該等利益、優點、問題的解決方式及可能促使任何益處、優點或解決方式發生或變得更顯著之任何特徵將不被解讀為任何或所有申請專利範圍之一關鍵所需或必要特徵。
125‧‧‧功率級
300‧‧‧交換級
305‧‧‧電控開關(PNP功率電晶體)
310‧‧‧能量儲存元件(電感器)
315‧‧‧輸出電容器
320‧‧‧二極體
325‧‧‧輸出端
330‧‧‧交換節點
350‧‧‧電荷泵級
355‧‧‧升壓電容器
360‧‧‧二極體
365‧‧‧輸出電容器
370‧‧‧輸出端
375‧‧‧二極體
380‧‧‧電荷泵節點
CP‧‧‧電壓
FB‧‧‧回授
PWM_OUT‧‧‧脈衝寬度調變輸出信號
SW‧‧‧電壓
VBL‧‧‧供應電壓
VBH‧‧‧供應電壓
VSW‧‧‧輸入電壓源

Claims (12)

  1. 一種電壓調節器，包括：一開關，耦接於一輸入電壓端與一能量儲存元件間；一第一輸出電容器，耦接至在該開關與該能量儲存元件間所界定之一第一節點，該第一電容器耦接至一第一輸出電壓端；一第一二極體，耦接於該第一輸出電容器與該第一節點間，且配置成用以在該能量儲存元件之充電階段期間防止電流從該能量儲存元件流至該第一輸出電容器；一電荷泵電路，耦接至該第一節點，且包括：一第二輸出電容器，耦接於一第二輸出電壓端與該第一輸出電壓端間；一第三電容器，耦接於該第一節點與該第二輸出電壓端間；一第二二極體，耦接於該第二輸出電容器與該第三電容器間，且配置成用以在該能量儲存元件之充電階段期間防止電流從該第三電容器流至該第二輸出電容器；一第二節點，被界定於該第三電容器與該第二二極體間；及一第三二極體，耦接於該第二節點與該第一輸出電容器間；以及一控制器，可操作成選擇性地使該開關能控制在該第一及第二輸出電壓端上所產生之電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項之電壓調節器，其中，該能量儲存元件包括一電感器。
  3. 如申請專利範圍第1項之電壓調節器，其中，該控制器係可操作成根據在該第一輸出電壓端上之電壓以控制對該開關所提供之交換信號的脈衝寬度。
  4. 一種具有用以產生第二電壓源之電荷泵的通信系統，包括：複數個用戶線介面電路，每一用戶線介面電路係可操作成控制透過複數個用戶線中之一者的通信，而其中每一用戶線介面電路係可操作成接收一第一及一第二控制電壓；一交換級，可操作成產生該第一控制電壓，而該交換級包括：一開關，耦接於一輸入端與一能量儲存元件間；一第一輸出電容器，耦接至在該開關與該能量儲存元件間所界定之一第一節點，該第一輸出電容器耦接至一第一輸出電壓端，以便提供該第一控制電壓；及一第一二極體，耦接於該第一輸出電容器與該第一節點間，且配置成用以在該能量儲存元件之充電階段期間防止電流從該能量儲存元件流至該第一輸出電容器；一電荷泵級，耦接成用以接收該第一控制電壓及根據該第一控制電壓產生該第二控制電壓，而該電荷泵級包括：一第二輸出電容器，耦接至一第二輸出電壓端；一第三電容器，耦接於該第一節點與該第二輸出端電壓間；一第二二極體，耦接於該第二輸出電容器與該第三電容器間，且配置成用以在該能量儲存元件之充電階段期間防止電流從該第三電容器流至該第二輸出電容器；一第二節點，被界定於該第三電容器與該第二二極體間；及一第三二極體，耦接於該第二節點與該第一輸出電容器間；以及一控制器，可操作成控制其交換電壓調節器，以便根據該等用戶線介面電路之操作狀態而改變該第一及第二控制電壓之大小。
  5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該第二輸出電容器係耦接 於該第二輸出電壓端與該第一輸出電壓端間。
  6. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該控制器係可操作成控制該開關產生在一第一位準的該第一控制電壓，來回應該等用戶線介面電路皆沒有處於振鈴狀態，以及，產生在一第二位準的該第一控制電壓，來回應該等用戶線介面電路中之至少一者處於振鈴狀態，而該第二位準在大小上係大於該第一位準。
  7. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該能量儲存元件包括一電感器。
  8. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該控制器係可操作成根據在該第一輸出電壓端上之電壓以控制對該開關所提供之交換信號的脈衝寬度。
  9. 一種在通信系統中調節電壓之方法，包括：使用一交換電壓調節器對複數個用戶線介面電路產生一第一控制電壓，每一用戶線介面電路係可操作成控制透過複數個用戶線中之一者的通信，而其交換級係包括：一開關，耦接於一輸入端與一能量儲存元件間；一第一輸出電容器，耦接至在該開關與該能量儲存元件間所界定之一第一節點，該第一輸出電容器耦接至一第一輸出電壓端，以便提供該第一控制電壓；以及，一第一二極體，耦接於該第一輸出電容器與該第一節點間，且配置成用以在該能量儲存元件之充電階段期間防止電流從該能量儲存元件流至該第一輸出電容器；使用一耦接成用以接收該第一控制電壓之電荷泵級，根據該第一控制電壓以對該複數個用戶線介面電路產生一第二控制電壓，而該電荷泵級係包括：一第二輸出電容器，耦接至一第二輸出電壓端；一第三電容器，耦接於該第一節點與該第二輸出電壓端間；一第二二極體， 耦接於該第二輸出電容器與該第三電容器間，且配置成用以在該能量儲存元件之充電階段期間防止電流從該第三電容器流至該第二輸出電容器；一第二節點，被界定於該第三電容器與該第二二極體間；以及，一第三二極體，耦接於該第二節點與該第一輸出電容器間；以及控制該交換調節器，以根據該等用戶線介面電路之操作狀態而改變該第一及第二控制電壓之大小。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，控制該交換調節器之步驟進一步包括：控制該交換調節器以產生在一第一位準的該第一控制電壓，來回應該等用戶線介面電路皆沒有處於振鈴狀態，以及，產生在一第二位準的該第一控制電壓，來回應該等用戶線介面電路中之至少一者處於振鈴狀態，而該第二位準在大小上係大於該第一位準。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，控制該交換調節器之步驟包括：根據該第一控制電壓之電壓值以控制對該交換電壓調節器所提供之交換信號的脈衝寬度。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，該第二輸出電容器係耦接於該第二輸出電壓端與該第一輸出電壓端間。
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