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1、第一部分 通信电源系统基本原理一、通信电源综述1、概述通信电源系专指对通信主机直接供电的电源。对通信电源的基本要求是安全、可靠、不间断和低杂音。通信主机设备可概括分为交流供电的通信设备和直流供电的通信设备，因此通信电源也有交流不间断供电和直流不间断供电两大系统，两大系统的不间断供电，是靠蓄电池储备的能源来保证的。程控交换、光通信、微波通信、移动通信设备均属直流供电的通信设备，而卫星地球站设备则属于交流供电的通信设备。目前直流供电的通信设备占大部分。通信电源系统的这两类电源又可划分为三级：第一级保证能源提供；第二级保证不间断供电；第三级为主机提供多电压多品种的电源。2、通信整流器的主要性能要求
2、在通信电源系统两大类中由于整流器处于不同的级上整流器的要求也不同。这里主要对第二级直流不间断电源设备中的整流模块性能要求作一介绍。2.1直流输出及调节范围整流器的作用是将交流转换成直流对电池及并在一起的负载供电。其直流输出电压主要应符合电池浮充、均充、初充的要求。2.2 静态稳压精度稳压精度是指输入交流电压和负载电流扰动时，在浮充和均充电压范围内，输出电压偏差的百分数。整流器的稳压精度要求也是针对电池的要求来的，因为稳压精度低，无异于浮充电压设置值的不准确。2.3 整流器输出限流和电池充电限流整流器输出限流和电池充电限流是两个独立的限流功能，整流器的输出限流是对整流器的保护，而电池充电限流是对
3、电池的保护。2.4 输出杂音电压整流器的输出电压中除了直流成分外，还存在一定分量的交流成分，称之为杂音电压噪音电压。它们对通话质量或电子电路的工作有一定的影响。衡量这些杂音电压的影响常采用衡重杂音、峰峰杂音、宽频杂音和离散杂音来表示。2.5 功率限制整流器功率限制（恒功率输出特性），有利于以较小设计功率满足实际使用需要。对48V系统，以最大限流值作为额定电流，以57V作为额定电压，以二者的乘积作为额定功率值比较经济合理。2.6动态响应输出电压受外界扰动后再回到其稳定值，会有一个超调量和调整恢复时间。由于其接有蓄电池，这一指标对实际使用不会产生大的影响。主要衡量系统的稳定性，即是否会产生震荡。2
4、.7 EMC要求EMC是电磁兼容性的缩写，其目的是要在复杂的电磁环境中，保证电气设备互相兼容，正常工作。它可分为骚扰和抗扰，其中骚扰又可以分为传导发射和辐射发射。各国在这方面都有严格的标准。2.8 软启动整流器的输出电压如果没有软启动性能，则开机后瞬间陡增的电压对低内阻的电池要产生大的电流冲击，这既对电池不利，又影响到输入电流出现冲击。因此开关整流器都采取了软起电路，一般软起时间在38秒。2.9 并联运行系统容量大时，要采用多模块并联运行，这样设计灵活、扩容方便，但要注意均流问题和选择性过电压问题。2.10 效率无论功率器件，电路拓扑和吸收电路的改进及软开关技术的采用，目的都是为了减少损耗，提
5、高效率。这样即节能，又提高整流器的可靠性。效率的提高始终是整流器设计者追求的目标。2.11 功率因数功率因数包括位移因数和畸变因数，对于高频开关整流器而言，功率因数主要受制于畸变因数。为提高功率因数目前采用无源功率因数校正和有源功率因数校正，可分别使功率因数提高到0.94和0.99以上。二、 关整流器的基本原理2.1 开关电源概论开关电源的发展经历了线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。开关电源具有功率转换效率高、稳定范围宽、功率密度比大、重量轻等特点，目前，在市场上产品基本上为相控电源和开关电源，而且开关电源将取代相控电源成为新一代通信电源的主体。开关电源向着高频小型化、高效率、高可靠性发
6、展。2.1.1开关电源的基本分类广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。常见的开关电源分类方法有下列几种：1 按激励方式分有它激式和自激式；2 按调制方式分有PWM、PFM(谐振式)；3 按开关管连接方式划分，有单端反激、双端反激、单端正激、双端正激、推挽式、半桥、全桥等；4 从输入输出之间是否有变压器隔离，可以分成隔离型与非隔离型两类；每一类中又有六种拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk
7、、Sepic和Zeta。5 按控制信号的隔离方法，则可分为直接式、光电耦合式、变压器式、磁放大式等。可见DC-DC基本电路数不胜数，多数电路都有典型应用价值，也有的无实用价值。2.1.2开关电源主要元件1开关无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感和电容。电子开关只是快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有力求快速，使开关快速地渡过线性放大区，状态转换引起地损耗才小。目前使用的电子开关多是二极管、双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及地有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件，例如SITH（静电感应晶闸管）和MCT（场控制晶体闸流管）。值得指出
8、，主回路也不是绝对不出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的mV电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。2电感电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。常为储能元件，也常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上。用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流又有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续性”，电感上的电流必须是连续的，否则将回产生很的的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，
9、也有不允许其进入饱和的。在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随端电压和流过电流而变化。但是，在开关电源中电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的。其二是分布式杂散电容，随线制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成了电容的特性了。如果将杂散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路，可以明白地看出在某一角频率后地电容性。在分析电感在线路中工作或绘波形图时，不妨考虑下面几个特点：（1） 在电感L中有电流I流过时，储存有1/2
10、LI2 的能量；（2） 当电感L两端的电压V为不变时，依V=Ldi/dt 公式可知，忽略内阻R时，电感电流变化率，di/dt=V/L；表明，电感电流线性增加；（3） 正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感时变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。（4） 就象电容有充、放电流一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流的积分成正比，称为安秒值；电感上的电流与电压的积分成正比，称为伏秒值。只要电感器电压变化，其电流斜率di/dt也变化；正向电压，使电流从零线性上升；反向电压，电流线性下降，根据能
11、量守恒原理在电感器伏秒值面积相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。3电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的作用，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是吸收纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。4控制芯片常用的有UC3525、UC3825、UC3875、UC38
12、42、UC3846、UC3854等。2.2 基本的PWM变换器主回路拓扑 双端正激变换器当开关管FET1、FET2导通时，二极管D3导通，能量由原方传向副方，电感L1的电流上升。当开关管FET1、FET2关断时，二极管D1、D2导通续流，将励磁能量传回电源，同时D4导通续流，电感L1的电流下降。通过改变占空比和变压器匝比可以改变输出电压的大小。图2-1 双端正激变换器电路图 半桥变换器当开关管Tr1导通时，二极管D7导通，能量由原方传向副方，电感L的电流上升。当开关管Tr1关断时，二极管D7、D8导通续流，电感L1的电流下降。当开关管Tr2导通时，二极管D8导通，能量由原方传向副方，电感L的电
13、流上升。当开关管Tr2关断时，二极管D7、D8导通续流，电感L1的电流下降。通过改变占空比和变压器匝比可以改变输出电压的大小。图2-2 半桥变换器电路图2.2.3 全桥变换器当开关管Tr1、Tr2导通时，副方相对的两个二极管导通，能量由原方传向副方，电感Lf的电流上升。当开关管Tr1、Tr2关断时，四个二极管导通续流，电感L1的电流下降。当开关管Tr3、Tr4导通时，副方相对的另两个二极管导通，能量由原方传向副方，电感Lf的电流上升。当开关管Tr3、Tr4关断时，副方四个二极管导通续流，电感Lf的电流下降。通过改变占空比和变压器匝比可以改变输出电压的大小。图2-3 全桥变换器电路图2.3 开关
14、电源设计时的常见问题2.3.1 干扰与绝缘开关电源不能产生超标的电磁干扰，同时它自身也应有较强的抗干扰能力，使从电网传来的尖峰波或空间传来的辐射干扰都不影响它的工作。要达此目的主要手段是加输入滤波器、输出滤波器或加屏蔽。1 采用无源滤波器无源滤波器由电感线圈和电容组成，串在输入/输出电路中。优点是成本低、可靠性高、简单易行。缺点是体积稍大，不能设计成实时调节。2 采用有源滤波器有源滤波器由Boost和Buck变换器充当，接在变换器的前面，形成双变换器串接的局面。前置的变换器的任务是使输入电流波形正弦波变化。为此，前置变换器的基准电压因是正弦形，按正弦变化的幅值来调制脉宽。反馈信号有电压和电流。
15、如此控制，对千瓦级功率变换器是适宜的，对小功率线路显得过于复杂。近年来推行把正弦化的环节与DC-DC结合在一起的办法。例如，利用无电容器方式；利用过饱和电抗的方式；利用复位绕组方式等。 大多数有一定功率输出的开关电源均要求输入输出隔离。如无隔离技术措施，抗干扰性能稍差，使用者人身不够安全，给维修者更带来不便。国家标准要求输入输出之间隔离电压为1分钟1500V交流高压检验。2.3.2 效率与功率因数开关电源的基本要求是高稳定和实现小型化。开关电源的特点是轻、小、高效。开关电源的外形可以短、薄。最近正研究折叠式绕组（Fold wind）变压器，目的均是提高功率密度，适合特定的要求等等。除了小功率或
16、便携式电器的开关电源由电池供直流电压外，许多开关电源由工频市电 供电。方式是经整流、滤波电路供给直流电压。一般滤波电路由单电容构成，由此引出开关电源的功率因数低的问题。原因是只在交流电压瞬时值高于直流电压时，工频电网才对滤波电容充电。所以充电时间短暂，充电电流是尖峰状，远远偏离正弦状。因此，开关电源输入端功率因数只有0.6左右，影响了电能利用效率，使电网电压波畸变，产生很多谐波分量。解决办法为采用有源或无源功率因数校正技术。2.3.3 智能化与高可靠性在智能化方面要求每个模块能向系统提供所要的参数（如电流、电压），工作状态（正常、故障、均流状态等）信息，并且模块能够接受系统的遥控指令，近端有RS-232
