通信開關(guān)電源知識及行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
在通信開關(guān)電源中，通信高頻開關(guān)整流器組成的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)作為基礎(chǔ)供電設(shè)備，通常被認(rèn)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(yán)重威脅，會導(dǎo)致大面積通信癱瘓，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此其現(xiàn)狀及發(fā)展倍受人們關(guān)注。
通信開關(guān)電源行業(yè)現(xiàn)狀分析
國內(nèi)自九五年以后，通信用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)全面取代了原有相控電源系統(tǒng)，其技術(shù)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(guān)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(chǎn)品多品種、多樣化的“百家爭鳴”的局面。據(jù)了解，現(xiàn)國內(nèi)較大的生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)”化。
效率是電源的最重要的指標(biāo)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(diào)要求等�，F(xiàn)在通信用高頻開關(guān)整流器整機(jī)效率高達(dá)90％以上已很普通，不帶有源功率因數(shù)校正電路的最高可達(dá)93～94％，并還有進(jìn)一步提高的可能。
高頻化是目前開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，也是高頻開關(guān)整流器發(fā)展的重要趨勢之一。提高開關(guān)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(guān)電源的動態(tài)性能，減輕濾波電路壓力，并可進(jìn)一步降低成本。但隨著開關(guān)頻率的提高，功率器件的開關(guān)損耗將成比例地增加。所以在開關(guān)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(guān)損耗。目前比較流行的方法是采用有源軟開關(guān)技術(shù)，如諧振術(shù)、準(zhǔn)諧振（或多諧振）技術(shù)、ZCSP WM（或ZVS-PWM）技術(shù)及ZCTPWM（或ZVT-PWM）技術(shù)等。這些技術(shù)優(yōu)點是效果很好，可將開關(guān)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(yīng)力較大，技術(shù)本身有待完善，多一輔助開關(guān)后控制較復(fù)雜等。另一種較實用的方法是采用無源無耗軟開關(guān)技術(shù)，即采用無源器件（L、C、D 等）構(gòu)成獨特的（專利的）電路網(wǎng)絡(luò)，對功率開關(guān)實現(xiàn)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(guān)整流器采用獨特的無源無耗軟開關(guān)技術(shù)將開關(guān)頻率提高到200kHz（最大功率輸出達(dá)2800 瓦），取得了很好的效果。
模塊化設(shè)計是高頻開關(guān)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(guān)整流器模塊的出現(xiàn)，直流供電系統(tǒng)的模塊式結(jié)構(gòu)變得非常容易實現(xiàn)，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(jié)構(gòu)除了具有很強(qiáng)的適應(yīng)性外，還有一些很重要的優(yōu)點如：系統(tǒng)初始投資少、擴(kuò)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(hù)快捷方便等。 目前絕大多數(shù)通信電源廠家均采用模塊化設(shè)計，并已形成系列化，其單體整流器模塊電流多數(shù)為5A，10A，30A，50A，1OOA，200A 等。而在通訊領(lǐng)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(xiàn)代通信系統(tǒng)對其基礎(chǔ)供電電源高標(biāo)準(zhǔn)要求的必然結(jié)果，是新型單片機(jī)技術(shù)在開關(guān)電源領(lǐng)域應(yīng)用的完美體現(xiàn)。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(jìn)行有效的監(jiān)視、全面的控制及完善的告警及保護(hù)；為達(dá)到系統(tǒng)安裝、維護(hù)的簡便性，需使高頻開關(guān)整流器具有如帶電插拔（HOTPLUG，IN）、參數(shù)自動設(shè)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(hù)的人力和費用，并提高系統(tǒng)的可靠性，需對電源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上而得以全面滿足，并最終達(dá)到一種高度智能化的目的。目前多數(shù)通信電源廠家已成功地將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于高頻開關(guān)整流器模塊及監(jiān)控模塊之中，并通過RS232、RS422 等標(biāo)準(zhǔn)通訊口及MODEM 等與微型計算機(jī)連接起來，實現(xiàn)“三遙”功能，并最終通過公用電話網(wǎng)或通信專網(wǎng)將不同區(qū)域內(nèi)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(xiàn)代通訊系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠的要求，達(dá)到了智能化的目的。
各電源廠家都已經(jīng)或正在為自己的產(chǎn)品滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求做準(zhǔn)備，以實現(xiàn)產(chǎn)品的“綠色化”。同時為使開關(guān)電源產(chǎn)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(nèi)都制定了相應(yīng)安全標(biāo)準(zhǔn)，實施了各種安全認(rèn)證，如歐洲有“CE”標(biāo)志認(rèn)證，中國有“長城”標(biāo)志認(rèn)證等。所謂“標(biāo)準(zhǔn)”化是指開關(guān)電源要滿足或必須滿足越來越多、越來越嚴(yán)的各種國內(nèi)及國際的標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前高頻開關(guān)整流器產(chǎn)品在設(shè)計時需滿足的標(biāo)準(zhǔn)，除自身規(guī)范要求外，主要有電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)兩種。為改善供電電網(wǎng)質(zhì)量，同時也提高開關(guān)電源本身適應(yīng)環(huán)境的能力，國際上有關(guān)組織及國內(nèi)相關(guān)部門都積極制定了各種電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計在不久的將來將對相關(guān)產(chǎn)品強(qiáng)制執(zhí)行。“標(biāo)準(zhǔn)”化是產(chǎn)品質(zhì)量改善及國際化發(fā)展趨勢的需要。目前在高頻開關(guān)整流器產(chǎn)品范圍內(nèi)國外設(shè)計的產(chǎn)品“標(biāo)準(zhǔn)”化工作要好于國向自行設(shè)計的產(chǎn)品，這主要與國內(nèi)“標(biāo)準(zhǔn)”化工作基礎(chǔ)較差、標(biāo)準(zhǔn)意識不強(qiáng)、檢測手段不完善等有關(guān)。但可以看到，隨著國內(nèi)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(nèi)有關(guān)部門及各生產(chǎn)廠家都越來越重視產(chǎn)品的“標(biāo)準(zhǔn)”化設(shè)計工作，以期明顯提高產(chǎn)品的國際競爭力，同時改善人們的生存環(huán)境。
高頻開關(guān)電源技術(shù)在通信行業(yè)的發(fā)展
通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可以體現(xiàn)在幾個方面：變換器拓?fù)洹⒔Ｅc仿真、數(shù)字化控制及磁集成。
1.1 變換器拓?fù)?/P>
軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)及多電平技術(shù)是近年來變換器拓?fù)浞矫娴臒狳c。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效的降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器效率的提高; 采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染;而多電平技術(shù)主要應(yīng)用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。同時由于輸入電壓高，采用適當(dāng)?shù)能涢_關(guān)技術(shù)以降低開關(guān)損耗，是多電平技術(shù)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(guān)頻率而實現(xiàn)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(guān)損耗與驅(qū)動損耗大幅度增加，而軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低開關(guān)損耗。目前的通信電源工程應(yīng)用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術(shù)、上世紀(jì)90年代初誕生的ZVS移相全橋技術(shù)及90年代后期提出的同步整流技術(shù)。
1.1.1 ZVS有源鉗位
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)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(shù)，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近 200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率未超過90%。為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術(shù)專利，其采用P溝道 MOSFET，并在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓?fù)涞挠性大槲�，這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)(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(fù)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(shù)專利，其特點是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載，所以實現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)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(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)都結(jié)合在一起，因而其實現(xiàn)了高達(dá)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(jì)90年代中期，ZVS移相全橋軟開關(guān)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項技術(shù)在MOSFET的開關(guān)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(dǎo)致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數(shù)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?qū)Χ蝹?cè)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(zhǔn)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(cè)同步整流控制信號，但仍不能有效地達(dá)到二次側(cè)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(jìn)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(jìn)。
1.1.3 同步整流
同步整流包括自驅(qū)動與外部驅(qū)動。自驅(qū)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(chǎn)時可靠性較低而較少應(yīng)用于實際產(chǎn)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(qū)動IC，這樣可以達(dá)到較好的電氣性能與更高的可靠性。
TI公司提出了預(yù)測驅(qū)動策略的芯片UCC27221/2，動態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)時間以降低體二極管的導(dǎo)通損耗。ST公司也設(shè)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(jìn)了連續(xù)與斷續(xù)導(dǎo)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(qū)動拓?fù)湟越档万?qū)動損耗，并于1997年提出一種新型的同步整流電路，稱為準(zhǔn)方波同步整流，可以較大地降低同步整流管體二極管的導(dǎo)通損耗與反向恢復(fù)損耗，并且容易實現(xiàn)初級主開關(guān)管的軟開關(guān)。凌特公司推出的同步整流控制芯片LTC3900和LTC3901可以更好地應(yīng)用于正激、推挽及全橋拓?fù)渲小?/P>
ZVS及ZCS同步整流技術(shù)也已開始應(yīng)用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅(qū)動(NCP1560)，雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)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(guān)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(xué)院的R.D.Middlebrook于1976年提出，可以說這是電力電子學(xué)領(lǐng)域建模分析的第一個真正意義的重大突破。后來出現(xiàn)的如電流注入等效電路法、等效受控源法(該法由我國學(xué)者張興柱于1986年提出)、三端開關(guān)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(jìn)行了平均處理而不能有效地進(jìn)行紋波分析;不能準(zhǔn)確地進(jìn)行穩(wěn)定性分析;對諧振類變換器可能不大適合;關(guān)鍵的一點是，平均法所得出的模型與開關(guān)頻率無關(guān)，且適用條件是電路中的電感電容等產(chǎn)生的自然頻率必須要遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，準(zhǔn)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(guān)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(xué)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(jìn)行輸出的紋波分析。
建模的目的是為了仿真，繼而進(jìn)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(jìn)行開關(guān)電源的SPICE仿真。近30 年來，在開關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學(xué)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(guān)電感模型;Dr.RayRidley的模型;基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源平均Pspice模型;基于StevenSandler的ICAP4的開關(guān)電源平均Isspice模型;基于Dr.VincentG.Bello 的Cadence的開關(guān)電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合變換器的主要參數(shù)進(jìn)行宏模型的構(gòu)建，并利用所建模型構(gòu)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(jìn)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?fù)淙招略庐�，發(fā)展速度極快，相應(yīng)地，對變換器建模的要求也越來越嚴(yán)格�？梢哉f，變換器的建模必須要趕上變換器拓?fù)涞陌l(fā)展步伐，才能更準(zhǔn)確地應(yīng)用于工程實踐。
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