通信開關電源知識及行業(yè)發(fā)展現狀
在通信開關電源中，通信高頻開關整流器組成的高頻開關電源系統(tǒng)作為基礎供電設備，通常被認為是整個通信系統(tǒng)的“心臟“。一旦其發(fā)生故障，則整個通信系統(tǒng)工作將會受到嚴重威脅，會導致大面積通信癱瘓，造成重大的經濟損失。因此其現狀及發(fā)展倍受人們關注。
通信開關電源行業(yè)現狀分析
國內自九五年以后，通信用高頻開關電源系統(tǒng)全面取代了原有相控電源系統(tǒng)，其技術和市場得到了高速發(fā)展。再加上移動通信的迅速增長，其發(fā)展更是勢不可擋，成為各類開關電源最為活躍的品種之一。其巨大的市場和高額的利潤吸引了眾多廠家相互競爭，逐步形成了產品多品種、多樣化的“百家爭鳴”的局面。據了解，現國內較大的生產廠家已有十幾家，各有其鮮明的特點。但其總的特點可歸納為：高效率、高頻化、模塊化、智能化和“標準”化。
效率是電源的最重要的指標之一。高效率是每個廠家競相追逐和大力宣傳的重點之一。高效率的好處很多，如更低的運行成本、更低的工作溫度及由此帶來的更高的可靠性和更長的壽命、更低的空調要求等�，F在通信用高頻開關整流器整機效率高達90％以上已很普通，不帶有源功率因數校正電路的最高可達93～94％，并還有進一步提高的可能。
高頻化是目前開關電源技術發(fā)展的主要方向之一，也是高頻開關整流器發(fā)展的重要趨勢之一。提高開關頻率可縮小電源體積、減輕重量、提高功率密度，還可改善開關電源的動態(tài)性能，減輕濾波電路壓力，并可進一步降低成本。但隨著開關頻率的提高，功率器件的開關損耗將成比例地增加。所以在開關頻率較高時，需采取非常有效的“軟化”措施盡可能降低器件的開關損耗。目前比較流行的方法是采用有源軟開關技術，如諧振術、準諧振（或多諧振）技術、ZCSP WM（或ZVS-PWM）技術及ZCTPWM（或ZVT-PWM）技術等。這些技術優(yōu)點是效果很好，可將開關頻率提至很高，一般在1OO～4OOkHz。但其缺點也很明顯，主要是器件的電流、電壓應力較大，技術本身有待完善，多一輔助開關后控制較復雜等。另一種較實用的方法是采用無源無耗軟開關技術，即采用無源器件（L、C、D 等）構成獨特的（專利的）電路網絡，對功率開關實現無損耗緩沖。其特點是全部采用無損耗的無源器件，不需額外的控制，電路簡單，可靠性高，效果也不錯。目前有高頻開關整流器采用獨特的無源無耗軟開關技術將開關頻率提高到200kHz（最大功率輸出達2800 瓦），取得了很好的效果。
模塊化設計是高頻開關整流器的重要特色之一。在過去的十幾年中，隨著輕巧、緊凄的高頻開關整流器模塊的出現，直流供電系統(tǒng)的模塊式結構變得非常容易實現，可方便地組成各種不同功率等級的電源系統(tǒng)，從幾十安培一直到幾千安培或更大。這種模塊式結構除了具有很強的適應性外，還有一些很重要的優(yōu)點如：系統(tǒng)初始投資少、擴容非常方便、安裝運輸方便、冗余方式工作額外投入很少、維護快捷方便等。 目前絕大多數通信電源廠家均采用模塊化設計，并已形成系列化，其單體整流器模塊電流多數為5A，10A，30A，50A，1OOA，200A 等。而在通訊領域包括移動通訊等大量使用的整流器模塊為30A、50A、100A 三個品種，可組成150A、30M、600A、1OO0A 等各類功率等級的直流電源系統(tǒng)，主要供電子大型電話局、移動通訊基站等。
智能化是現代通信系統(tǒng)對其基礎供電電源高標準要求的必然結果，是新型單片機技術在開關電源領域應用的完美體現。為滿足通信系統(tǒng)各種場合、各種條件的用電需要，保證電源系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)，需對電源系統(tǒng)進行有效的監(jiān)視、全面的控制及完善的告警及保護；為達到系統(tǒng)安裝、維護的簡便性，需使高頻開關整流器具有如帶電插拔（HOTPLUG，IN）、參數自動設置及更正等“傻瓜型”功能；同時為減少電源系統(tǒng)的故障檢修時間，減小長期維護的人力和費用，并提高系統(tǒng)的可靠性，需對電源系統(tǒng)進行遠距離“遙控、遙測、遙信”（“三遙”），方便地實施系統(tǒng)故障檢測、故障診斷和故障隔離。所有這些要求都是要建立在單片機技術的基礎上而得以全面滿足，并最終達到一種高度智能化的目的。目前多數通信電源廠家已成功地將單片機技術應用于高頻開關整流器模塊及監(jiān)控模塊之中，并通過RS232、RS422 等標準通訊口及MODEM 等與微型計算機連接起來，實現“三遙”功能，并最終通過公用電話網或通信專網將不同區(qū)域內甚至是世界范圍的電源系統(tǒng)連接起來，實施大面積集中監(jiān)控，滿足了現代通訊系統(tǒng)的高標準、高可靠的要求，達到了智能化的目的。
各電源廠家都已經或正在為自己的產品滿足這些標準的要求做準備，以實現產品的“綠色化”。同時為使開關電源產品安全性能更高，避免對使用人、物及環(huán)境造成安全事故，杜絕各種安全隱患，國外、國內都制定了相應安全標準，實施了各種安全認證，如歐洲有“CE”標志認證，中國有“長城”標志認證等。所謂“標準”化是指開關電源要滿足或必須滿足越來越多、越來越嚴的各種國內及國際的標準的要求。目前高頻開關整流器產品在設計時需滿足的標準，除自身規(guī)范要求外，主要有電磁兼容標準和安全標準兩種。為改善供電電網質量，同時也提高開關電源本身適應環(huán)境的能力，國際上有關組織及國內相關部門都積極制定了各種電磁兼容標準，預計在不久的將來將對相關產品強制執(zhí)行�！皹藴省被钱a品質量改善及國際化發(fā)展趨勢的需要。目前在高頻開關整流器產品范圍內國外設計的產品“標準”化工作要好于國向自行設計的產品，這主要與國內“標準”化工作基礎較差、標準意識不強、檢測手段不完善等有關。但可以看到，隨著國內生活環(huán)境的極大改善，市場競爭的日趨激烈，國人安全意識的提高等，國內有關部門及各生產廠家都越來越重視產品的“標準”化設計工作，以期明顯提高產品的國際競爭力，同時改善人們的生存環(huán)境。
高頻開關電源技術在通信行業(yè)的發(fā)展
通信用高頻開關電源技術的發(fā)展基本上可以體現在幾個方面：變換器拓撲、建模與仿真、數字化控制及磁集成。
1.1 變換器拓撲
軟開關技術、功率因數校正技術及多電平技術是近年來變換器拓撲方面的熱點。采用軟開關技術可以有效的降低開關損耗和開關應力，有助于變換器效率的提高; 采用PFC技術可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數，減少對電網的諧波污染;而多電平技術主要應用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開關管的電壓應力。同時由于輸入電壓高，采用適當的軟開關技術以降低開關損耗，是多電平技術將來的重要研究方向。
為了降低變換器的體積，需要提高開關頻率而實現高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動元件，但是提高頻率將使MOSFET的開關損耗與驅動損耗大幅度增加，而軟開關技術的應用可以降低開關損耗。目前的通信電源工程應用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技術及90年代后期提出的同步整流技術。
1.1.1 ZVS有源鉗位
有源箝位技術歷經三代，且都申報了專利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近 200W/in3，然而其轉換效率未超過90%。為了降低第一代有源箝位技術的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利，其采用P溝道 MOSFET，并在變壓器二次側用于forward電路拓撲的有源箝位，這使產品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利，其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時釋放出的能量轉送至負載，所以實現了更高的轉換效率。它共有三個電路方案：其中一個方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高，采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術都結合在一起，因而其實現了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度。
1.1.2 ZVS移相全橋
從20世紀90年代中期，ZVS移相全橋軟開關技術已廣泛地應用于中、大功率電源領域。該項技術在MOSFET的開關速度不太理想時，對變換器效率的提升起了很大作用，但其缺點也不少。第一個缺點是增加一個諧振電感，其導致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數需要保持一致性，這在制造過程中是比較難控制的;第二個缺點是丟失了有效的占空比。此外，由于同步整流更便于提高變換器的效率，而移相全橋對二次側同步整流的控制效果并不理想。最初的 PWMZVS移相全橋控制器，UC3875/9及UCC3895僅控制初級，需另加邏輯電路以提供準確的次極同步整流控制信號;如今最新的移相全橋PWM 控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側同步整流控制信號，但仍不能有效地達到二次側的ZVS/ZCS同步整流，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個重大改進是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進。
1.1.3 同步整流
同步整流包括自驅動與外部驅動。自驅動同步整流方法簡單易行，但是次級電壓波形容易受到變壓器漏感等諸多因素的影響，造成批量生產時可靠性較低而較少應用于實際產品中。對于12V以上至20V左右輸出電壓的變換則多采用專門的外部驅動IC，這樣可以達到較好的電氣性能與更高的可靠性。
TI公司提出了預測驅動策略的芯片UCC27221/2，動態(tài)調節(jié)死區(qū)時間以降低體二極管的導通損耗。ST公司也設計出類似的芯片STSR2/3，不僅用于反激也適用于正激，同時改進了連續(xù)與斷續(xù)導通模式的性能。美國電力電子系統(tǒng)中心(CPES)研究了各種諧振驅動拓撲以降低驅動損耗，并于1997年提出一種新型的同步整流電路，稱為準方波同步整流，可以較大地降低同步整流管體二極管的導通損耗與反向恢復損耗，并且容易實現初級主開關管的軟開關。凌特公司推出的同步整流控制芯片LTC3900和LTC3901可以更好地應用于正激、推挽及全橋拓撲中。
ZVS及ZCS同步整流技術也已開始應用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅動(NCP1560)，雙晶體管正激電路的同步整流驅動芯片LTC1681及LTC1698，但其都未取得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優(yōu)良效果。
1.2 建模與仿真
開關型變換器主要有小信號與大信號分析兩種建模方法。
小信號分析法：主要是狀態(tài)空間平均法，由美國加里福尼亞理工學院的R.D.Middlebrook于1976年提出，可以說這是電力電子學領域建模分析的第一個真正意義的重大突破。后來出現的如電流注入等效電路法、等效受控源法(該法由我國學者張興柱于1986年提出)、三端開關器件法等，這些均屬于電路平均法的范疇。平均法的缺點是明顯的，對信號進行了平均處理而不能有效地進行紋波分析;不能準確地進行穩(wěn)定性分析;對諧振類變換器可能不大適合;關鍵的一點是，平均法所得出的模型與開關頻率無關，且適用條件是電路中的電感電容等產生的自然頻率必須要遠低于開關頻率，準確性才會較高。
大信號分析法：有解析法，相平面法，大信號等效電路模型法，開關信號流法，n次諧波三端口模型法，KBM法及通用平均法。還有一個是我國華南理工大學教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號分析法，不僅適用于PWM變換器也適用于諧振類變換器，并且能夠進行輸出的紋波分析。
建模的目的是為了仿真，繼而進行穩(wěn)定性分析。1978年，R.Keller首次運用R.D.Middlebrook的狀態(tài)空間平均理論進行開關電源的SPICE仿真。近30 年來，在開關電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學者都建立了各種各樣的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：Dr.SamBenYaakov的開關電感模型;Dr.RayRidley的模型;基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關電源平均Pspice模型;基于StevenSandler的ICAP4的開關電源平均Isspice模型;基于Dr.VincentG.Bello 的Cadence的開關電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎上，結合變換器的主要參數進行宏模型的構建，并利用所建模型構成的DC/DC變換器在專業(yè)的電路仿真軟件(Matlab、Pspice等)平臺上進行直流分析、小信號分析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)分析。
由于變換器的拓撲日新月異，發(fā)展速度極快，相應地，對變換器建模的要求也越來越嚴格�？梢哉f，變換器的建模必須要趕上變換器拓撲的發(fā)展步伐，才能更準確地應用于工程實踐。
| 【上一個】 SPD的應用 | 【下一個】 電監(jiān)會推進燃煤發(fā)電廠貯灰場安全專項監(jiān)管工作 |
| ^ 通信開關電源知識及行業(yè)發(fā)展現狀 |