浅谈通信电源中的开关电源

西红柿

浅谈通信电源中的开关电源
Switching Power Supply in Communications
山西省电信公司运行维护部 陈海龙  

摘要：简要说明了开关电源中关键技术的应用，如均流、软开关、功率因数校正和智能监控，并分析了开关电源今后的发展。

关键词：通信电源 开关电源 关键技术 发展


一、引言

　　通信电源是通信行业的动力，在电信网络中发挥着不可替代的作用，具有无可比拟的重要基础地位，因此，通信电源的安全可靠是保证通信系统正常运行的重要条件。通信电源又是通信设备系统的心脏，即使是瞬间的中断也是不允许的，因为通信电源系统发生直流供电中断故障是灾难性的，往往会造成整个通信局（站）和通信网络的全部中断和瘫痪。通信电源是电信网络中不可缺少的重要组成部分，是一个完整、规模日趋庞大和复杂的交换、传输、数据、信息、业务、智能等通信网的基石和后台保障，因此通信电源直接关系到整个网络的稳定、可靠和畅通，是倡?quot;维护就是服务"新理念的重要保障。

　　二、开关电源占据通信电源的主导地位

　　通信直流稳压电源按照其实现直流稳压方法的不同，可分为：线性电源、相控电源和开关电源三种。
线性电源是通过串联调整管来连续控制，其功率调整管总是工作在放大区。由于调整管上功率损耗很大，造成电源效率较低，只有20～40%，发热损耗严重，安装有体积很大的散热器，因而功率体积系数只有20～30W/dm3。因此线性电源主要用于小功率、对稳压精度要求很高的场合，如通信设备内部电路的辅助电源等。
相控电源是将市电直接经整流滤波后提供直流，通过改变晶闸管的导通相位来控制直流电压。由于相控电源的工作频率低，工频变压器的体积和噪声大，造成对电网干扰和负载变化的响应慢，设备笨重，且危害维护人员的身体健康。另外，其功率因数较低，只有0.6～0.7，严重污染电力电网，效率较低，只有60～80%，造成能源的极大浪费。因此传统的相控电源已逐渐被淘汰。

　　开关电源的功率调整管工作在开关状态，主要的优点在"高频"上。其工作频率高，大都在40kHz以上，无烦人的噪声。体积小，重量轻，适用于分散供电，可与通信设备放在同一机房。效率高，大于90%，在当前能源比较紧张的情况下，能够在节能上做出很大的贡献。功率因数高，大于0.92，当采用有效的功率因数校正电路时，功率因数可接近于1，且对公共电网基本上无污染。模块化的设计，可实行N+1配置，可靠性高。维护方便，可在运行中更换模块，而不影响系统供电，扩容方便、分段投资，可在初建时，预留终期模块的机架，随时扩容。调试方便，内设模拟测试电路，无需另配假负载。具有监控功能，并配有标准通信接口，可实现集中监控，无人值守。因此开关电源已在通信设备供电中大量取代相控电源，并得到越来越广泛的应用。

　　三、开关电源的关键技术

　　开关电源的发展，从最早美国研制出20kHz的DC/DC变换器后，出现了用高频变换技术的整流器，到80年代初英国制造出了完整的48V成套开关电源。随着功率电子器件及其应用的发展，近几年开关电源大多采用PWM技术的MOSFET开关整流器。随着电子电力技术和自动化控制技术的发展，开关电源其它方面的技术也得到了迅猛进步。而开关电源中具有技术突破的主要有以下四个方面：

　　1．均流技术

　　大功率电源系统需要用若干台开关电源并联，以满足负载功率的要求，另外通信电源必须通过并联技术来实现模块备份，以提高电源系统的可靠性。因此并联技术在供电系统中必不可少，而并联运行的整流模块间需要采用均流措施，它是实现大功率电源系统的关键，用以保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在限流或满载状态，同时延长电源系统的寿命和平均无故障时间。
实现均流的方法很多，如输出阻抗法、主从法、按电流大小自动均流法（平均均流法和最大电流法）、按热应力自动均流法、外加均流控制器法等。目前均流效果较好、控制形式较为简单的是按电流大小自动均流法。这种均流方法可以自动设定主模块和从模块，在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，各从模块对主模块的电压差依次被整定，以校正负载电流分配的不均衡，直到负载电流均匀分配。

　　2．软开关技术

　　DC-DC变换器是开关电源的主要组成部分，因此功率变换技术一直受到全世界电力电子学科和行业研究的关注。而如何降低开关损耗，提高开关电源的频率和开关电源的系统效率，代表了开关电源的发展趋势。在经过了硬开关PWM（或PFM）技术和硬开关加吸收网络技术后，软开关技术得到了广泛应用。这样能够极大地降低开关损耗，减小功率器件电和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提高功率密度等，为开关电源实现高效、节能、体积小、重量轻和高可靠性的要求做出了贡献。

　　软开关的实质就是在硬开关上增加LC谐振电路，在开关变换时，LC谐振被迫将开关上的电流或电压迅速变为零，从而使开关变成零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS），软开关的开通、关断损耗理想值为零。软开关技术有：谐振技术、准谐振技术、PWM和准谐振相结合的技术。

　　3．功率因数校正技术

　　由于开关电源前级整流-滤波电路使电网的电流波形畸变，谐波含量增大，使得输入端功率因数下降，电能利用率降低，污染了电网环境，降低了运行可靠性。为了减小开关电源对电网产生的谐?quot;污染"，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性，同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果，提倡"绿色电源"，引出了功率因数校正技术。

　　功率因数校正技术有：采用三相三线制整流，即无中线整流方式，可使谐波含量大大降低，功率因数可达0.86以上；采用无源功率因数校正技术，即在三相三线整流方式下加入一定的电感，可使功率因数达0.93以上，谐波含量降到10%以下；采用有源功率因数校正技术，即在输入整流部分加入一级功率处理电路，使无功功率几乎为0，功率因数可达0.99以上，谐波含量降到5%以下。

　　4. 智能化监控技术

　　开关电源大量应用控制技术、计算机技术，进行各种异常保护、信号检测、电池自动管理等，实时监视通信电源设备运行状态，记录和处理有关数据，及时发现故障，以先进的、集中的、自动化的维护管理方式来管理通信电源设备，从而提高供电系统的可靠性。

　　智能化监控技术的应用，使得维护人员面对的不再是复杂的器件和电路，而是一个人机表达和交流的信息，大大改进了维护管理方式。

　　四、开关电源的发展

　　开关电源在发展，今后仍要不断提高开关电源和供电系统的高新技术含量，以支撑高速发展的现代化通信网络的建设和运行维护管理为主导方向，以高可靠性、高稳定性和可维护性为最终目的。具体有以下几个方面：

　　1．小型化

　　随着通信设备日益集成化、小型化和分散化的发展，以及势在必行的分散供电的广泛应用，要求开关电源也相应小型化，而开关电源工作频率高频化和控制电路集成化，使开关电源的小型化成为可能。特别是随着小型化开关电源的市场迅速扩大，如接入网、数据产品、移动基站、无线市话等，一些小功率模块插件形式的开关电源将应运而生，大有蓬勃发展之势。如中兴通讯的ZXDU45嵌入式电源，在结构上采用标准的19英寸插框设计，高度为4U，功能齐全，使用起来极为安全方便。

　　2．高智能化

　　随着开关电源在通信领域多方面的广泛使用，而维护人员又不是专业电源维护人员，只有借助其智能化，对电源设备的运行状态自动检测，对电源故障及时发现、诊断和处理。这就要求智能化在原有监控功能的基础上，增加诊断功能，即故障诊断专家系统，以指导维护人员处理问题，加快故障诊断和检修过程。

　　3．电池管理

　　电池在通信电源系统中的重要性，要求开关电源应具备完善的电池管理功能，充分考虑到电池对管理的需求，全方位地管理电池。也就是说，我们不能满足于对电池的均/浮充、温度补偿、电池保护等方面的管理，还要在电池的充/放电曲线、容量测试、容量恢复等方面进行高层次的管理。

　　4．多功能性

　　开关电源的设计应有更大的灵活性、自由度，功能强大，以满足不同设备、不同用户、不同环境对供电的要求。而实现某一功能是通过安装电路板（或功能块）来完成，这类似于计算机的硬件扩充（如需要上网，只要安装网卡即可完成）。这样用户可根据实际情况合理控制建设资金，开关电源运营商可根据要求制定合理的竞争价格，最终达到用户和开关电源运营商"双赢"的目标。

　　5．软开关变换电路

　　在软开关变换电路中，开关器件在理论上开关损耗为零，不受频率升高的限制，但到目前为止，软开关变换电路仍存在一些有待解决的问题，如电路工作在高频下，开关管需要更高的耐压和更大的散耗功率能力。尽管如此，软开关变换电路仍将成为新一代变换电路的发展主流，其最新发展动态会受到广泛关注，如零开关-PWM变换和零转换-PWM变换等，人们期待软开关变换电路取得更大突破。