可供電二線制總線系統(tǒng)的電壓源設(shè)計

鐘 山，何 青

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410076）

醫(yī)療呼叫系統(tǒng)是醫(yī)院必備系統(tǒng)之一，各大醫(yī)院都非常重視并有配備[1]。傳統(tǒng)的醫(yī)療呼叫系統(tǒng)多采用三線制或四線制，即將電源線、音頻線和數(shù)據(jù)線分開。在該種模式下由于電源線與信號線的分離會存在生產(chǎn)成本高，現(xiàn)場施工布線麻煩，特別是后期維護困難等一系列問題。文中采用的是一種可供電二線制總線系統(tǒng)，即通過總線給主機和分機節(jié)點供電的同時還可以完成語音模擬信號和數(shù)字信號的傳輸。針對該系統(tǒng)特點，本文設(shè)計了一種用于可供電二線制系統(tǒng)的電壓源，該電壓源具有實現(xiàn)簡單，帶負(fù)載能力強，同時模擬信號和數(shù)字信號幾乎可以無損的在此總線上傳輸，同時可以推廣到其他類似的應(yīng)用場合。

1 電源方案設(shè)計

本電壓源設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 電壓源系統(tǒng)框圖

其中總電源由外部開關(guān)電源提供。圖中與二線制總線供電相關(guān)的部分包括基準(zhǔn)電壓源、驅(qū)動電路、功率放大電路、非門供電電路、模擬信號發(fā)送以及數(shù)字信號發(fā)送電路。

2 基準(zhǔn)電壓源設(shè)計

基準(zhǔn)電壓源主要依靠TL431來實現(xiàn)，Tl431是一種三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成芯片。具有極低的動態(tài)阻抗、優(yōu)良的負(fù)載電流調(diào)節(jié)能、溫度漂移低和輸出噪聲電壓低等特點[2]。

2.1 TL431的等效功能示意圖

TL431的等效功能示意圖[3]如圖2所示。

圖2 TL431等效功能示意圖

其內(nèi)部由比較器精密基準(zhǔn)電壓源以及輸出開關(guān)管等組成，參考端的電壓與精密基準(zhǔn)電壓源Vref相比較后當(dāng)參考端電壓超過2.5 V時，TL431立即導(dǎo)通，參考端控制精度可達±1%[4-6]。

當(dāng)在TL431的Vref端引入輸出反饋時，其輸出的電壓是通過陰極到陽極的分流來控制的。

2.2 基本并聯(lián)穩(wěn)壓電路原理

由于本系統(tǒng)總線具有大負(fù)載及長距離信號傳輸?shù)奶攸c，設(shè)計時的總線供電電壓為42 V輸出，考慮到TL431的K端最大電壓為36 V，設(shè)計了如圖3所示的基準(zhǔn)電壓源。

圖3 基準(zhǔn)電壓源

其中D1穩(wěn)壓管與TL431通過分壓使得TL431陽極與陰極間電壓小于36 V，這樣就可以達到輸出電壓42 V目的，TL431的穩(wěn)壓值精確計算公式應(yīng)為:

其中IREF為參考端的輸入電流，在0.8～1.5 μA之間[5]。

3 傳統(tǒng)功率放大與驅(qū)動電路設(shè)計

圖4為傳統(tǒng)二線制總線的電壓源的功率放大與驅(qū)動電路設(shè)計，VCA為參考電壓，VDD為48 V直流電源輸入，采用甲乙類互補對稱功率放大電路。CPLSS信號直接控制PMOS管的打開與關(guān)閉，當(dāng)PMOS管導(dǎo)通時，Vout輸出為48 V直流，當(dāng)PMOS管斷開時，Vout的輸出為40 V直流。此電路還存在著一些弊端，例如LM338K發(fā)熱量大需要大散熱器這就增大了電源的體積；因而功率受限實測電流達到5 A時為其額定電流。在發(fā)送信號時受限于器件發(fā)送頻率不能太高不能超過100 kHz，過高的頻率會使總線上的信號畸變嚴(yán)重。

圖4 傳統(tǒng)功率放大與驅(qū)動電路設(shè)計

4 基于非門的功率放大與驅(qū)動電路設(shè)計

為提高信號發(fā)送頻率以及減少發(fā)熱量，這里選擇功率場效應(yīng)管作為電壓源的開關(guān)器件，用非門來驅(qū)動功率場效應(yīng)管。

4.1 驅(qū)動電路

由非門的工作原理和非門的傳輸特性[7]得知：COMS非門在高低電平轉(zhuǎn)換的中存在一個中間線性放大區(qū)，而且與運算放大器的傳輸特性非常相似。當(dāng)非門的輸入電壓在電源電壓的一半附近變化時其輸出電壓也會在電源電壓一半附近發(fā)生相應(yīng)的變化。從而只要將非門的工作點設(shè)置在中間線性放大區(qū)就可以將非門當(dāng)做性能良好的一個小信號放大器。圖5形象地表明非門線性放大的性質(zhì)，當(dāng)輸入端輸入微弱的信號時輸出端有較強的信號輸出。

橫軸上的AB區(qū)段就是中間線性放大區(qū)，具有電壓放大的功能。

分析可知，非門的輸出電壓在電源電壓的一半附近的線性放大區(qū)內(nèi)時非門的不失真的動態(tài)范圍最大。本設(shè)計中采用分壓偏置法來實現(xiàn)輸入端電壓保持在電源電壓的一半[8-9]。的電源與輸入端之間加上一個反饋電阻R1，輸入和輸出之間加上一個電阻R2，構(gòu)成分壓偏置放大電路將非門的輸入電壓鎖定在電源電壓的一半處如圖6所示。

圖5 CMOS非門傳輸特性

圖6 分壓偏置放大電路

輸入偏置電壓Vi由R1與R2對電源VDD同輸出電壓之差（VDD-VO）分壓所得電壓再加上輸出電壓VO組成。即：

當(dāng)VO=1 2VDD時，則

4.2 功率放大電路

功率場效應(yīng)管具有開關(guān)速度高、能耗低、驅(qū)動電流低、驅(qū)動功率小、工作電流大、輸出功率高、等諸多優(yōu)點[10-11]。選擇功率場效應(yīng)管作為電壓源開關(guān)電路的開關(guān)元件。由N溝道增強型功率MOS管的特征曲線[8]可知工作在恒流區(qū)時每一個UGS就有一個確定的iD。將場效應(yīng)管設(shè)計成源極跟隨器電路，由非門構(gòu)成的驅(qū)動電路來驅(qū)動場效應(yīng)管使其輸出能力得以大大提升。

5 電壓源整體設(shè)計電路圖

該設(shè)計的外部48 V供電電源由開關(guān)電源提供，由TL431基準(zhǔn)電壓源輸出42 V與外部開關(guān)電源組成浮低電壓12 V用于非門供電，由于有TL431構(gòu)成的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路存在該設(shè)計將模擬信號發(fā)送電路巧妙的融入其中。由非門構(gòu)成的驅(qū)動電路來驅(qū)動場效應(yīng)管，得益于非門CD4069優(yōu)良的性能使其數(shù)據(jù)傳輸頻率可達150 kHz以上。由于非門獨特的用法該設(shè)計將數(shù)字信號發(fā)送電路巧妙的融入其中。電壓源整體設(shè)計電路圖如圖7所示。

5.1 非門供電電壓

圖7 電壓源整體設(shè)計電路圖

其中WRB4812CS為DC/DC降壓集成模塊，其電壓輸入范圍為36～72 V輸出電壓為12 V，轉(zhuǎn)換率可達80%。由圖7可知基準(zhǔn)電壓源TL431輸出端連接到降壓集成模塊的接地端，使其產(chǎn)生一個壓差為12 V的浮地電壓用于給非門供電，此時降壓模塊的輸出端為54 V接地端為42 V。非門的電源端到地端存在一個12 V壓差滿足非門的工作要求因而非門可以正常工作。

5.2 信號的發(fā)送

在可供電的二線制總線系統(tǒng)中。通過把供給分機的直流供電電壓和通信信號相互疊加的傳輸通訊方式來完成。發(fā)送數(shù)字信號和發(fā)送語音信號是分別占用總線來實現(xiàn)的。實際測試發(fā)送模擬信號與數(shù)字信號均能達到150 kHz。

在發(fā)送語音信號時是通過可調(diào)電源將信號輸出到總線。當(dāng)模擬信號輸入端VOUT信號為模擬信號時，MOS管和驅(qū)動電路構(gòu)成的源極跟隨器達到總線（LN）輸出的目的，這就實現(xiàn)了模擬信號的發(fā)送。

在發(fā)送數(shù)據(jù)信號時，通過控制器控制可調(diào)電源模塊來對二線制總線上的電壓變化起到控制作用，通過這種控制作電壓變化的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

6 試驗結(jié)果及其分析

電壓源設(shè)計完成后需要實地測試其相關(guān)性能，查看是否滿足實際系統(tǒng)需求。電壓源由3個主要性能指標(biāo)：電壓精度，負(fù)載調(diào)整率，電流調(diào)整率。

6.1 電壓精度

電壓精度是電壓源其中一個非常重要的指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計的指標(biāo)輸出為42 V直流電壓。在實際測試時的基本場合為：二線制總線為300米長雙絞線，負(fù)載由0個節(jié)點逐步增加至100個節(jié)點，測量總線近端電壓值與總線遠端電壓值。測得具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 近端遠端電壓測量數(shù)據(jù)表

6.2 負(fù)載調(diào)整率

衡量電源好壞其中一個指標(biāo)是負(fù)載調(diào)整率，體現(xiàn)當(dāng)電源負(fù)載發(fā)生變化時會引起穩(wěn)壓電源的輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化，通常以輸出電壓的變化量和輸出電壓的百分比值來表示。好的電源負(fù)載調(diào)整率通常指標(biāo)為3%～5%。負(fù)載調(diào)整率公式為：

其中UO為空載時輸出電壓，Ui為滿載時輸出電壓，U為額定負(fù)載時輸出電壓。由表1可知，接入100個節(jié)點表示滿載，此時Ui=40.5 V，計算可知負(fù)載調(diào)整率為3.57%。

6.3 電流調(diào)整率

電流調(diào)整率是反映穩(wěn)壓電源負(fù)載能力的一項重要指標(biāo)，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù)。在規(guī)定的負(fù)載電流變化的條件下，一般以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流調(diào)整率。電流調(diào)整率公式為：

表2 電流調(diào)整率測量數(shù)據(jù)

電流調(diào)整率Si=3.11%

7 結(jié)束語

該設(shè)計兼顧通用性，由于系統(tǒng)需求設(shè)計輸出電壓為特定的42 V，在應(yīng)用到其它系統(tǒng)時可以很方便的改為所需輸出壓。本設(shè)計充分利用了TL431和非門CD4069的優(yōu)良特性，實現(xiàn)了模擬信號和數(shù)字信號幾乎可以無損的在二線制總線上高速的傳輸。實驗結(jié)果表明：該設(shè)計電壓源滿載輸出電壓40.5 V，輸出電流可達8A，總線數(shù)據(jù)傳輸頻率到達150 kHz。