可供电二线制总线系统的电压源设计

钟 山，何 青

（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410076）

医疗呼叫系统是医院必备系统之一，各大医院都非常重视并有配备[1]。传统的医疗呼叫系统多采用三线制或四线制，即将电源线、音频线和数据线分开。在该种模式下由于电源线与信号线的分离会存在生产成本高，现场施工布线麻烦，特别是后期维护困难等一系列问题。文中采用的是一种可供电二线制总线系统，即通过总线给主机和分机节点供电的同时还可以完成语音模拟信号和数字信号的传输。针对该系统特点，本文设计了一种用于可供电二线制系统的电压源，该电压源具有实现简单，带负载能力强，同时模拟信号和数字信号几乎可以无损的在此总线上传输，同时可以推广到其他类似的应用场合。

1 电源方案设计

本电压源设计框图如图1所示。

图1 电压源系统框图

其中总电源由外部开关电源提供。图中与二线制总线供电相关的部分包括基准电压源、驱动电路、功率放大电路、非门供电电路、模拟信号发送以及数字信号发送电路。

2 基准电压源设计

基准电压源主要依靠TL431来实现，Tl431是一种三端可调精密电压基准集成芯片。具有极低的动态阻抗、优良的负载电流调节能、温度漂移低和输出噪声电压低等特点[2]。

2.1 TL431的等效功能示意图

TL431的等效功能示意图[3]如图2所示。

图2 TL431等效功能示意图

其内部由比较器精密基准电压源以及输出开关管等组成，参考端的电压与精密基准电压源Vref相比较后当参考端电压超过2.5 V时，TL431立即导通，参考端控制精度可达±1%[4-6]。

当在TL431的Vref端引入输出反馈时，其输出的电压是通过阴极到阳极的分流来控制的。

2.2 基本并联稳压电路原理

由于本系统总线具有大负载及长距离信号传输的特点，设计时的总线供电电压为42 V输出，考虑到TL431的K端最大电压为36 V，设计了如图3所示的基准电压源。

图3 基准电压源

其中D1稳压管与TL431通过分压使得TL431阳极与阴极间电压小于36 V，这样就可以达到输出电压42 V目的，TL431的稳压值精确计算公式应为:

其中IREF为参考端的输入电流，在0.8～1.5 μA之间[5]。

3 传统功率放大与驱动电路设计

图4为传统二线制总线的电压源的功率放大与驱动电路设计，VCA为参考电压，VDD为48 V直流电源输入，采用甲乙类互补对称功率放大电路。CPLSS信号直接控制PMOS管的打开与关闭，当PMOS管导通时，Vout输出为48 V直流，当PMOS管断开时，Vout的输出为40 V直流。此电路还存在着一些弊端，例如LM338K发热量大需要大散热器这就增大了电源的体积；因而功率受限实测电流达到5 A时为其额定电流。在发送信号时受限于器件发送频率不能太高不能超过100 kHz，过高的频率会使总线上的信号畸变严重。

图4 传统功率放大与驱动电路设计

4 基于非门的功率放大与驱动电路设计

为提高信号发送频率以及减少发热量，这里选择功率场效应管作为电压源的开关器件，用非门来驱动功率场效应管。

4.1 驱动电路

由非门的工作原理和非门的传输特性[7]得知：COMS非门在高低电平转换的中存在一个中间线性放大区，而且与运算放大器的传输特性非常相似。当非门的输入电压在电源电压的一半附近变化时其输出电压也会在电源电压一半附近发生相应的变化。从而只要将非门的工作点设置在中间线性放大区就可以将非门当做性能良好的一个小信号放大器。图5形象地表明非门线性放大的性质，当输入端输入微弱的信号时输出端有较强的信号输出。

横轴上的AB区段就是中间线性放大区，具有电压放大的功能。

分析可知，非门的输出电压在电源电压的一半附近的线性放大区内时非门的不失真的动态范围最大。本设计中采用分压偏置法来实现输入端电压保持在电源电压的一半[8-9]。的电源与输入端之间加上一个反馈电阻R1，输入和输出之间加上一个电阻R2，构成分压偏置放大电路将非门的输入电压锁定在电源电压的一半处如图6所示。

图5 CMOS非门传输特性

图6 分压偏置放大电路

输入偏置电压Vi由R1与R2对电源VDD同输出电压之差（VDD-VO）分压所得电压再加上输出电压VO组成。即：

当VO=1 2VDD时，则

4.2 功率放大电路

功率场效应管具有开关速度高、能耗低、驱动电流低、驱动功率小、工作电流大、输出功率高、等诸多优点[10-11]。选择功率场效应管作为电压源开关电路的开关元件。由N沟道增强型功率MOS管的特征曲线[8]可知工作在恒流区时每一个UGS就有一个确定的iD。将场效应管设计成源极跟随器电路，由非门构成的驱动电路来驱动场效应管使其输出能力得以大大提升。

5 电压源整体设计电路图

该设计的外部48 V供电电源由开关电源提供，由TL431基准电压源输出42 V与外部开关电源组成浮低电压12 V用于非门供电，由于有TL431构成的基准稳压电路存在该设计将模拟信号发送电路巧妙的融入其中。由非门构成的驱动电路来驱动场效应管，得益于非门CD4069优良的性能使其数据传输频率可达150 kHz以上。由于非门独特的用法该设计将数字信号发送电路巧妙的融入其中。电压源整体设计电路图如图7所示。

5.1 非门供电电压

图7 电压源整体设计电路图

其中WRB4812CS为DC/DC降压集成模块，其电压输入范围为36～72 V输出电压为12 V，转换率可达80%。由图7可知基准电压源TL431输出端连接到降压集成模块的接地端，使其产生一个压差为12 V的浮地电压用于给非门供电，此时降压模块的输出端为54 V接地端为42 V。非门的电源端到地端存在一个12 V压差满足非门的工作要求因而非门可以正常工作。

5.2 信号的发送

在可供电的二线制总线系统中。通过把供给分机的直流供电电压和通信信号相互叠加的传输通讯方式来完成。发送数字信号和发送语音信号是分别占用总线来实现的。实际测试发送模拟信号与数字信号均能达到150 kHz。

在发送语音信号时是通过可调电源将信号输出到总线。当模拟信号输入端VOUT信号为模拟信号时，MOS管和驱动电路构成的源极跟随器达到总线（LN）输出的目的，这就实现了模拟信号的发送。

在发送数据信号时，通过控制器控制可调电源模块来对二线制总线上的电压变化起到控制作用，通过这种控制作电压变化的方式来实现数据的发送。

6 试验结果及其分析

电压源设计完成后需要实地测试其相关性能，查看是否满足实际系统需求。电压源由3个主要性能指标：电压精度，负载调整率，电流调整率。

6.1 电压精度

电压精度是电压源其中一个非常重要的指标，根据设计的指标输出为42 V直流电压。在实际测试时的基本场合为：二线制总线为300米长双绞线，负载由0个节点逐步增加至100个节点，测量总线近端电压值与总线远端电压值。测得具体数据如表1所示。

表1 近端远端电压测量数据表

6.2 负载调整率

衡量电源好坏其中一个指标是负载调整率，体现当电源负载发生变化时会引起稳压电源的输出电压发生相应的变化，通常以输出电压的变化量和输出电压的百分比值来表示。好的电源负载调整率通常指标为3%～5%。负载调整率公式为：

其中UO为空载时输出电压，Ui为满载时输出电压，U为额定负载时输出电压。由表1可知，接入100个节点表示满载，此时Ui=40.5 V，计算可知负载调整率为3.57%。

6.3 电流调整率

电流调整率是反映稳压电源负载能力的一项重要指标，又称为电流稳定系数。在规定的负载电流变化的条件下，一般以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。电流调整率公式为：

表2 电流调整率测量数据

电流调整率Si=3.11%

7 结束语

该设计兼顾通用性，由于系统需求设计输出电压为特定的42 V，在应用到其它系统时可以很方便的改为所需输出压。本设计充分利用了TL431和非门CD4069的优良特性，实现了模拟信号和数字信号几乎可以无损的在二线制总线上高速的传输。实验结果表明：该设计电压源满载输出电压40.5 V，输出电流可达8A，总线数据传输频率到达150 kHz。