一、前言

  在设计开发电信终端产品过程中，特殊的行业及特殊的环境要求电信终端产品能够利用电话线上的电压、电流实现终端产品的电源供电。这样设计开发出来的产品能够免除外加电源的麻烦，同时也能从工程维护角度来看，长期节省外加电源带来的维护成本及额外财力开支。另外，由于特殊环境的要求和限制，我们开发产品中只能通过这种称做“低功耗”设计方法来解决工程上带来的问题。尽管这样的电信终端产品带来了单机成本的增加，但是其综合效应是很高的。

  本文根据作者多年开发经验，从电路设计上详尽叙述了在电信终端产品设计中如何采用低功耗设计思想实现利用电话线上的电压、电流来为终端产品电源供电，并给出了详尽地设计方案。     

二、设计环境及设计目标

   根据我们在实际应用及测试的数据得出：程控交换机在话机挂机状态下，能够提供不大于500uA的漏电流。按照特种话机制定的标准，特种话机要求程控交换机提供这样的漏电流来维持线路挂机时最低的电流保证。在话机摘机状态下，能够提供20mA-120mA的环路电流，通常情况下，国内程控交换机都能提供不小于40mA的环路电流。

  我们的设计目标就是：1）在话机挂机状态下，利用程控交换机提供的500uA的漏电流保持系统处于待机低功耗工作；2）在话机摘机状态下，实现电源切换并提供较大的电流保证CPU正常高速工作。

三、设计思想

  按照设计目标，我们开发具体电路时首先重点放在电源管理单元上面。电源管理设计是整个系统能否正常工作的前提，只有保证电源管理单元电路的正常工作前提下，才能进一步设计CPU电路。

  1）电源管理单元电路设计

  电源管理设计主要是保证：在话机挂机状态下，保证待机CPU正常；在话机摘机状态下，能够提供较大的电源能量，保证CPU全速工作。为此，需要设计电路时精心选择电源管理芯片。根据我们实际经验，应该选择转换效率较高的DC-DC电源芯片，其转换效率应不低于90%。否则系统无法保证在电压48V、电流仅为500uA的状态下保证CPU工作，尽管这样的电源管理芯片带来了成本的提供。在话机摘机状态下，由于线路状态发生变化，由-48V电压供电转换为7V-9V左右（离程控交换机距离不同，电压也不同）的电压供电，所以就要求电源管理单元应该能够根据摘机、挂机时不同的线路电压变化，迅速切换电源管理芯片。我们可以寻找一款既能在48V、又能在7-9V电压条件正常工作并保证效率不低于90%的电源芯片，也可以采用分别在不同电压环境下分别工作的电源芯片来保证系统正常。

  PH8811就是选用不同的电压环境中，采用不同的电源芯片来保证系统正常工作的方式来完成电源管理的。在话机挂机状态下，PH8811采用的低电流高效率的电源芯片，提供外围监控CPU在低功耗情况下正常工作。在话机摘机状态下，PH8811采用的较大电流高效率的电源芯片提供主CPU正常工作。

  在电源管理单元电路设计完成之后，我们需要进一步设计低功耗CPU电路。

  2）低功耗CPU电路设计

  对于低功耗电路设计，目前有很多相关的书籍专题论述，在此我们只根据实际工作中遇到的重点问题进行设计。

 首先CPU的选型上，应该选择低功耗的处理器。由于在挂机状态下，尽管电话线路上能够提供48V电压，但是电流却很小。加上CPU处理器其它外围器件的功率消耗，所以CPU处理器实际自身可以分配的功率消耗就很小了。选择的功耗的CPU处理器是设计的关键。通常，我们选择MICROCHIP公司生产的CPU处理器。MICROCHIP公司的产品具有较低的功率损耗，近年来台湾芯片公司授权生产的其它类似的功耗处理器产品也是首选产品。当然，如果在成本可以不是主要考虑因素下，可以选用其它16位、32位低功耗处理器。

 另外，在CPU电路设计中可以考虑两种不同的方案。一种是单CPU系统，第二种是双CPU系统。

 在单CPU系统中，选用的CPU处理器最好是可以通过内部控制晶振频率的一类CPU处理器。在电话线路挂机状态下，可以设置CPU处理器在低频工作。在低频振荡过程中，CPU处理器消耗的功率相应减少，从而达到电源系统的要求。不过单CPU系统设计较为复杂，设计中考虑的因素过多，对设计人员要求较高。不仅要对CPU处理器系统完全掌握，而且要求对将要设计的功能电路也要有预期的评估后，才能设计出达到设计要求产品。

 在双CPU系统中，设计思路清晰、器件选型较为简单，同时对开发人员的要求也不是很高，只要能够开发就可以实现设计目标。双CPU系统中采用2个CPU处理器。其中一个CPU选用低频、低功耗工作模式，主要工作在挂机状态下工作，我们可以称其为“监控CPU处理器”。这个CPU处理器负责监控电话线工作状态、监控功能电路的工作状态、实现关闭或者打开主CPU电源，并根据设计要求实现电话摘机功能。另一个CPU可以选用CMOS工艺制作的任何CPU处理器，如：ATMAL公司生产的89C51、89C52等等芯片实现并完成主要功能。这个CPU处理器在电话线摘机之后，接管监控CPU处理器的管理。我们可以称其为“主CPU处理器”。采用双CPU系统，可以根据需要很方便地实现各种低功耗设计方案，设计思路明晰是开发设计的首选方案。

  3）功能电路器件选型及电路设计

  在低功耗产品设计中，选用的逻辑电路器件尽量选用HC系列的器件，如：74HC573等等高速CMOS器件。

  在功能电路中及CPU处理器电路中，器件端口的上拉电阻、下拉电阻尽量选用高阻值电阻。由于CMOS器件的驱动电流很小，几个uA的电流就可以驱动，所以选用的电阻应不低于500K的阻值。

  另外在挂机状态下，由于主CPU处于断电状态，电源管理系统仅对监控CPU提供电源，所以在监控CPU与主CPU之间的电路连结上，应该考虑增加串联电阻的形式进行隔离。隔离的目的是为了避免监控CPU电路部分通过器件逻辑电路的接口给主CPU系统供电，从而造成负载过重，拖垮挂机时的电源电压。

  尤其应当注意的是：实验样机到批量生产过程中，由于选用了不同公司、或者同一公司不同批次的器件，可能造成设计参数发生变化。从而带来批量生产中，大量出现产品质量问题。所以在低功耗产品设计中，应该注意高阻值电阻的参数以及HC系列、CMOS系列器件的参数变化。我们曾经在批量生产某型电信终端产品中遇到过类似的问题。由于设计时上拉电阻使用1M电阻，取值过高带来驱动能力不够，从而在已经顺利生产了6万台设备的前提下，出现产品性能达不到指标的问题。后来通过改变上拉电阻值为700K，整机就达到了指标要求。在以后生产15万台时，没有出现过同一问题。我们在产品定型后，对于低功耗器件，应该采用同一厂家的器件，避免不必要的重复生产造成浪费。