SLIC充電泵

最初，普通老式電話業(yè)務(wù) (POTS) 設(shè)計(jì)用于在客戶端和局端 (CO) 之間傳輸純語音數(shù)據(jù)。然而，例如非對(duì)稱數(shù)字用戶線路 (ADSL) 的寬帶調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)不用將 POTS 與 CO 連接。現(xiàn)在這些調(diào)制解調(diào)器可以通過許多可能位于CO 的其他功能來運(yùn)作。
除了可通過“雙絞線”線路為住宅小區(qū)提供高速數(shù)據(jù)通信以外，調(diào)制解調(diào)器還必須要具有傳統(tǒng)的電話功能，主要包括為多個(gè)電話響 鈴提供電力以及生成摘機(jī)（打電話）環(huán)路電流。幾種負(fù)載狀態(tài)的存在，是為了使電話正常運(yùn)行。電話可能處于等待響鈴的掛機(jī)狀態(tài)或 處于通話狀態(tài)的摘機(jī)狀態(tài)，這兩種狀態(tài)都需要一個(gè)獨(dú)立的電源電壓。也可能會(huì)出現(xiàn)多條電話線路的情況，因此就需要這樣一個(gè)條件 ——調(diào)制解調(diào)器必須能夠?yàn)樘幱谡獧C(jī)和掛機(jī)狀態(tài)的電話提供電力，本文中所描述的電源（由 3.3V 輸入源驅(qū)動(dòng)），就是一款可為兩條 電話線路提供掛機(jī)和摘機(jī)狀態(tài)電力的解決方案。
圖 1 顯示了用戶線路接口卡 (SLIC) 電源。該電路可提供 -24V 和 -48V 的輸出電壓，其可以被加載到任何總功率為 1.5W 或更低的 應(yīng)用組合中。該電路設(shè)計(jì)旨在應(yīng)對(duì)摘機(jī)狀態(tài)（兩部電話均處于通話中）下 -24V 輸出端上高達(dá) 60mA 的負(fù)載以及掛機(jī)狀態(tài)（兩部電話均 處于響鈴狀態(tài)）下－48V 輸出端上 30mA 的負(fù)載。如果兩部電話均處于使用狀態(tài)，那么兩個(gè)輸出端可能會(huì)同時(shí)存在負(fù)載。通常，當(dāng)一 個(gè)電話處于使用狀態(tài)時(shí)，僅有一種輸出端存在負(fù)載。

圖 1 升壓轉(zhuǎn)換器/充電泵電路
在這個(gè)特殊的例子中，我們使用了 TPS61170 升壓轉(zhuǎn)換器控制器，該器件具有集成的 N 通道 FET 和電流模式控制功能。這種內(nèi)部 FET 專門設(shè)計(jì)用于在 1.2 MHz 時(shí)對(duì) 1.2A 進(jìn)行開關(guān)。當(dāng)內(nèi)部 FET（其用于 SW 引腳和接地之間的連接）接通時(shí)，就會(huì)在電感中形成電流 。當(dāng)內(nèi)部 FET 被控制器關(guān)閉時(shí)，電流會(huì)繼續(xù)流出電感，從而迫使電感的電壓發(fā)生極性的改變。這樣就會(huì)將 SW 引腳處的電壓升壓至 高于輸入電壓，從而通過 D4 到接地為 C5 充電。C5 充電可達(dá)大約24.5V。
（點(diǎn)擊圖像可以放大）

圖 2 充電泵波形較好地疊加在一起
圖 2 中頂部波形顯示了 SW 引腳上的開關(guān)波形。當(dāng)內(nèi)部 FET 在下一個(gè)開關(guān)周期中再次開啟時(shí)，C5 的正極側(cè) (positive side)接地。 由于 C5 兩端的電荷在 SW 引腳為正，這就迫使 D4 的陽極變?yōu)?－24.5V。二極管 D4 被反向偏置，同時(shí)二極管 D3 通過負(fù)載傳導(dǎo)，將 輸出電容器 C8 和 C9 充電至 －24V。該 －24V 輸出由控制器和反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。－48V 輸出被鉗位控制在 －24V 輸出加上電 容器 C3 和 D1 兩端的電壓范圍。
在通過 D4 到接地對(duì) C5 進(jìn)行充電的間隔期間，通過 D2 將 C3 充電至 24V。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，是由于 C3 被 D4 和 D2 鉗位 控制在了 －24V 輸出。當(dāng)控制器的內(nèi)部 FET 開啟時(shí)，D1 將 －48V 輸出鉗位控制在了 C3 與 C5 的電壓之和。組件 C3/D1/D2 起到一個(gè) 倍壓器的作用，從而使 －48V 輸出等于兩倍調(diào)節(jié)過的 －24V 輸出。－48V 輸出僅隨二極管 D1 和 D2 電壓的變化而變化。圖 2 中還顯 示了 D4 和 D2 陽極上出現(xiàn)的開關(guān)電壓。
需要引起注意的有關(guān)該電路的一個(gè)方面是，用來對(duì) －24V 輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)的反饋電路。流經(jīng) R11 的電流由反饋電路兩端的電壓（ 為 －24V 和 Q2 的發(fā)射極電壓 (-0.5V)）設(shè)定。電流（不依賴于輸入電壓）是由 R7 和來自輸入電壓的 Q1 提供。Q1 被配置為一個(gè)電流鏡 ，其使得 R7 和 R6 中的電流相等。R6 中的電流通過 R10 流至接地，從而產(chǎn)生了一個(gè)被調(diào)節(jié)至可反射實(shí)際 －24V 的輸出電壓。必須對(duì) R10 的值進(jìn)行設(shè)置，這樣就可以使其電壓在調(diào)節(jié)期間與調(diào)節(jié)過的控制器的內(nèi)部 FB 電壓 (1.229V) 相等。
R10 的值為：
R10 = VFB R11/(–Vout – VBE2)
R11 的值留給設(shè)計(jì)人員來確定，但一般而言對(duì)它的設(shè)置是要能夠保持功率損耗最小化。電阻器 R6 和 R7 應(yīng)具有相同的值。
R6 和 R7 的最大值為：
R6 ≤ (Vin, min – VFB – Vsat) (R11, act)/(–Vout – VBE2)
其中，Vsat 為 Q1 最低的期望發(fā)射極-集電極電壓，VBE2 為 Q2 的基極-發(fā)射極電壓。
圖 3 顯示了 3.3V 輸入應(yīng)用之后的輸出電壓。由于 -48V 輸出跟蹤在大約兩倍調(diào)節(jié)電壓上，因此 －24V 輸出上升至穩(wěn)壓狀態(tài)。一旦 處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，－24V 輸出就隨負(fù)載發(fā)生少許變化。

圖 3 －24V 和－48V 電源的受控關(guān)斷
在所有負(fù)載狀態(tài)下，－48V 輸出電壓變化低于 ±1.5%。較好的電壓交叉調(diào)節(jié)歸因于鉗位控制的充電泵工作特性。在 －24V 輸出端 上引起誤差的最大原因是隨負(fù)載變化的二極管電壓降，以及 Q2 基極-發(fā)射極結(jié)的變化和控制器的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。－24V 輸出情況下 輸出紋波電壓為 50 mV p-p，－48V 輸出時(shí)紋波電壓為 200mV p-p。1W 負(fù)載的效率在 72% 時(shí)達(dá)到峰值。引起損耗的關(guān)鍵原因是內(nèi)部 MOSFET 的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。
圖 4 顯示了原型電路。整個(gè) SLIC 電路占用了不到一平方英寸的電路板面積。該控制器采用 6 引腳、2×2 mm QFN 封裝。該設(shè)計(jì)有 賴于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單繞組電感而非較大的定制變壓器或雙繞組電感，以實(shí)現(xiàn)較小的電路板占用面積。

圖 4 電路占用了不到一平方英寸的電路板面積
這種方法成本很低。該設(shè)計(jì)的最大輸出功率受內(nèi)部 FET 的電流極限限制。使用一個(gè)更高的輸入電壓和大電感值降低了 FET 峰值 電流，從而提高了可以實(shí)現(xiàn)的最大輸出功率。然而，對(duì)于較低的輸入電壓而言，該電路是一款實(shí)用且經(jīng)濟(jì)的解決方案。