鐘 山，何 青

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)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(kāi)。在該種模式下由于電源線與信號(hào)線的分離會(huì)存在生產(chǎn)成本高，現(xiàn)場(chǎng)施工布線麻煩，特別是后期維護(hù)困難等一系列問(wèn)題。文中采用的是一種可供電二線制總線系統(tǒng)，即通過(guò)總線給主機(jī)和分機(jī)節(jié)點(diǎn)供電的同時(shí)還可以完成語(yǔ)音模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的傳輸。針對(duì)該系統(tǒng)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，帶負(fù)載能力強(qiáng)，同時(shí)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)幾乎可以無(wú)損的在此總線上傳輸，同時(shí)可以推廣到其他類(lèi)似的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 電源方案設(shè)計(jì)

本電壓源設(shè)計(jì)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(kāi)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(dòng)電路、功率放大電路、非門(mén)供電電路、模擬信號(hào)發(fā)送以及數(shù)字信號(hào)發(fā)送電路。

2 基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)電壓源主要依靠TL431來(lái)實(shí)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(dòng)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(diǎn)[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(kāi)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(guò)2.5 V時(shí)，TL431立即導(dǎo)通，參考端控制精度可達(dá)±1%[4-6]。

當(dāng)在TL431的Vref端引入輸出反饋時(shí)，其輸出的電壓是通過(guò)陰極到陽(yáng)極的分流來(lái)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(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(guò)分壓使得TL431陽(yáng)極與陰極間電壓小于36 V，這樣就可以達(dá)到輸出電壓42 V目的，TL431的穩(wěn)壓值精確計(jì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖4為傳統(tǒng)二線制總線的電壓源的功率放大與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，VCA為參考電壓，VDD為48 V直流電源輸入，采用甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。CPLSS信號(hào)直接控制PMOS管的打開(kāi)與關(guān)閉，當(dāng)PMOS管導(dǎo)通時(shí)，Vout輸出為48 V直流，當(dāng)PMOS管斷開(kāi)時(shí)，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(shí)測(cè)電流達(dá)到5 A時(shí)為其額定電流。在發(fā)送信號(hào)時(shí)受限于器件發(fā)送頻率不能太高不能超過(guò)100 kHz，過(guò)高的頻率會(huì)使總線上的信號(hào)畸變嚴(yán)重。

圖4 傳統(tǒng)功率放大與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

4 基于非門(mén)的功率放大與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為提高信號(hào)發(fā)送頻率以及減少發(fā)熱量，這里選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管作為電壓源的開(kāi)關(guān)器件，用非門(mén)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管。

4.1 驅(qū)動(dòng)電路

由非門(mén)的工作原理和非門(mén)的傳輸特性[7]得知：COMS非門(mén)在高低電平轉(zhuǎn)換的中存在一個(gè)中間線性放大區(qū)，而且與運(yùn)算放大器的傳輸特性非常相似。當(dāng)非門(mén)的輸入電壓在電源電壓的一半附近變化時(shí)其輸出電壓也會(huì)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(mén)的工作點(diǎn)設(shè)置在中間線性放大區(qū)就可以將非門(mén)當(dāng)做性能良好的一個(gè)小信號(hào)放大器。圖5形象地表明非門(mén)線性放大的性質(zhì)，當(dāng)輸入端輸入微弱的信號(hào)時(shí)輸出端有較強(qiáng)的信號(hào)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(mén)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(shí)非門(mén)的不失真的動(dòng)態(tài)范圍最大。本設(shè)計(jì)中采用分壓偏置法來(lái)實(shí)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(gè)反饋電阻R1，輸入和輸出之間加上一個(gè)電阻R2，構(gòu)成分壓偏置放大電路將非門(mén)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(mén)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(duì)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(shí)，則

4.2 功率放大電路

功率場(chǎng)效應(yīng)管具有開(kāi)關(guān)速度高、能耗低、驅(qū)動(dòng)電流低、驅(qū)動(dòng)功率小、工作電流大、輸出功率高、等諸多優(yōu)點(diǎn)[10-11]。選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管作為電壓源開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)元件。由N溝道增強(qiáng)型功率MOS管的特征曲線[8]可知工作在恒流區(qū)時(shí)每一個(gè)UGS就有一個(gè)確定的iD。將場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)成源極跟隨器電路，由非門(mén)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)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(jì)電路圖

該設(shè)計(jì)的外部48 V供電電源由開(kāi)關(guān)電源提供，由TL431基準(zhǔn)電壓源輸出42 V與外部開(kāi)關(guān)電源組成浮低電壓12 V用于非門(mén)供電，由于有TL431構(gòu)成的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路存在該設(shè)計(jì)將模擬信號(hào)發(fā)送電路巧妙的融入其中。由非門(mén)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管，得益于非門(mén)CD4069優(yōu)良的性能使其數(shù)據(jù)傳輸頻率可達(dá)150 kHz以上。由于非門(mén)獨(dú)特的用法該設(shè)計(jì)將數(shù)字信號(hào)發(fā)送電路巧妙的融入其中。電壓源整體設(shè)計(jì)電路圖如圖7所示。

5.1 非門(mén)供電電壓

圖7 電壓源整體設(shè)計(jì)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(dá)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(gè)壓差為12 V的浮地電壓用于給非門(mén)供電，此時(shí)降壓模塊的輸出端為54 V接地端為42 V。非門(mén)的電源端到地端存在一個(gè)12 V壓差滿足非門(mén)的工作要求因而非門(mén)可以正常工作。

5.2 信號(hào)的發(fā)送

在可供電的二線制總線系統(tǒng)中。通過(guò)把供給分機(jī)的直流供電電壓和通信信號(hào)相互疊加的傳輸通訊方式來(lái)完成。發(fā)送數(shù)字信號(hào)和發(fā)送語(yǔ)音信號(hào)是分別占用總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際測(cè)試發(fā)送模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)均能達(dá)到150 kHz。

在發(fā)送語(yǔ)音信號(hào)時(shí)是通過(guò)可調(diào)電源將信號(hào)輸出到總線。當(dāng)模擬信號(hào)輸入端VOUT信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，MOS管和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的源極跟隨器達(dá)到總線（LN）輸出的目的，這就實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的發(fā)送。

在發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，通過(guò)控制器控制可調(diào)電源模塊來(lái)對(duì)二線制總線上的電壓變化起到控制作用，通過(guò)這種控制作電壓變化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

6 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

電壓源設(shè)計(jì)完成后需要實(shí)地測(cè)試其相關(guān)性能，查看是否滿足實(shí)際系統(tǒng)需求。電壓源由3個(gè)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(gè)非常重要的指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)輸出為42 V直流電壓。在實(shí)際測(cè)試時(shí)的基本場(chǎng)合為：二線制總線為300米長(zhǎng)雙絞線，負(fù)載由0個(gè)節(jié)點(diǎn)逐步增加至100個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)量總線近端電壓值與總線遠(yuǎn)端電壓值。測(cè)得具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 近端遠(yuǎn)端電壓測(cè)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(gè)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(shí)會(huì)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(lái)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(shí)輸出電壓，Ui為滿載時(shí)輸出電壓，U為額定負(fù)載時(shí)輸出電壓。由表1可知，接入100個(gè)節(jié)點(diǎn)表示滿載，此時(shí)Ui=40.5 V，計(jì)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(xiàng)重要指標(biāo)，又稱(chēng)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(lái)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(cè)量數(shù)據(jù)

電流調(diào)整率Si=3.11%

7 結(jié)束語(yǔ)

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