聶榮琪 孫棟
通信高頻開關(guān)整流器應(yīng)是各類開關(guān)電源中設(shè)計最為復(fù)雜、要求最為嚴(yán)格的一種。由它們組成的高頻開關(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。
一、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)，如諧振技術(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。
——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。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�！皹�(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，國人安全意識的提高，市場競爭的日趨激烈等，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，以期明顯改善人們的生存環(huán)境，同時提高產(chǎn)品的國際競爭力。
二、近期發(fā)展的一些思考
——隨著現(xiàn)代通信業(yè)的飛速發(fā)展，做為其基礎(chǔ)供電的高頻開關(guān)整流器及其電源系統(tǒng)的發(fā)展近幾年也取得了舉世矚目的成就。不論是技術(shù)的創(chuàng)新、市場的開拓或功能的完善，都達(dá)到了較好的地步，全面及時地滿足了當(dāng)前通信業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。目前我國通信交換機(jī)設(shè)備每年增加2000萬線；并繼續(xù)保持穩(wěn)定地發(fā)展，各專門、農(nóng)話、傳輸系統(tǒng)等也增長迅速。這些都需要大量的基礎(chǔ)供電設(shè)備，所以在未來幾年內(nèi)高頻開關(guān)整流器及其電源系統(tǒng)仍將保持良好的發(fā)展勢頭。但對于每個電源廠家來說，隨著用戶要求的不斷提高，對手之間競爭更加激烈，EMC與安全標(biāo)準(zhǔn)等要求更加嚴(yán)格，欲穩(wěn)步占領(lǐng)市場并在激烈競爭中生存就必須不斷進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)、技術(shù)創(chuàng)新、完善功能、提高系統(tǒng)可靠性、努力降低成本、節(jié)約原材料、重復(fù)利用資源并盡量減少對環(huán)境的不良影響等。有人以“又是一輪奮發(fā)時”來描述當(dāng)前的狀況，很是確切。
2.1 高頻開關(guān)整流器模塊
——目前通信用高頻開關(guān)整流器模塊從輸出功率角度考慮，可大致分為三種：大功率模塊、中功率模塊和小功率模塊。下面就三種類型的模塊的實際使用和發(fā)展談幾點看法。
——大功率模塊：以48V／10OA輸出模塊為代表。目前多采用三相平衡無中線交流輸入，配以必要的無源功率固數(shù)校正技術(shù)，功率因數(shù)可達(dá)0.94左右。DC／DC變換器采用半橋或全橋變換電路，利用標(biāo)準(zhǔn)的PWM工作方式，并將開關(guān)頻率保持在較低的水平（1O0kHz以內(nèi)），整機(jī)效率可達(dá)92％以上，技術(shù)比較成熟，工作穩(wěn)定可靠。但由于其輸入電流不為正弦波，功率因數(shù)較低，諧波電流較大，對電網(wǎng)的電磁干擾嚴(yán)重。面對正在實施的EMC標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，大功率模塊需要做適當(dāng)改進(jìn)工作。目前國內(nèi)外都正在積極研制三相有源功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC），如低頻式三相PFC電路、三相單開關(guān)BOOST PFC電路、三相六開關(guān)PFC電路等，代表了當(dāng)今的發(fā)展趨勢，但困難很大。雖已提出了多種方案，其中不乏很有研發(fā)潛力的方案，但均是理論分析和實驗結(jié)果較多，做為商品應(yīng)用很少。三相有源PFC雖然困難很大，但單相有源PFC實現(xiàn)起來則相對容易得多。所以將單相有源PFC電路應(yīng)用于大功率模塊中來滿足日益嚴(yán)格的EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求，是一很現(xiàn)實的解決辦法，并且還將具有非常明顯的優(yōu)勢。現(xiàn)已有56V／100A（5.6KW）輸出的單相輸入帶有源功率因數(shù)校正的通信用高頻開關(guān)整流器模塊，滿載時功率國數(shù)大于0.99，效率達(dá)91％以上。在一標(biāo)準(zhǔn)的19英寸機(jī)架內(nèi)可裝入20個這樣的模塊，單機(jī)架最大輸出電流可達(dá)2OOOA，并已開始服務(wù)于通信領(lǐng)域，取得了很好的效果。
——中功率模塊：以48V／50A輸出模塊為代表。目前多采用單相交流輸入，有源Boost PFC電路加DC／DC變換器的電路形式。輸入電流為正弦波，功率因數(shù)在0.99以上，能全面符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的要求。但也有用三相交流輸入，無源PFC加DC／DC變換器的產(chǎn)品，在電路成本和效率方面占有一定優(yōu)勢，但很難滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)中輸入諧波電流的要求。中功率模塊是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最全的通信高頻開關(guān)整流器模塊品種之一，大量應(yīng)用于目前市場巨大的移動通信領(lǐng)域。電源開關(guān)變換技術(shù)發(fā)展迅速，其中DC／DC變換器部分更是各種新技術(shù)應(yīng)用的“戰(zhàn)場”，從單端正激電路、雙正激電路到半橋電路、全橋電路，從無源軟開關(guān)技術(shù)到各種有源軟開關(guān)技術(shù)，從100 kHz的工作頻率至400kHz以上的工作頻率，功率變換技術(shù)和功率電子技術(shù)的新進(jìn)展在這里都得到了充分的發(fā)揮。這些發(fā)展的最終目標(biāo)都是朝著高性能、低成本、小體積的方向邁進(jìn)，努力提高其市場競爭能力。目前通信電源領(lǐng)域發(fā)生的價格“大戰(zhàn)”，影響最大的就是中功率模塊電源。所以成本的高低已成為目前的首要矛盾。要降低成本須從產(chǎn)品設(shè)計，如簡化電路（盡量采用單端正激電路、雙正激電路），提高工作頻率等方面下功夫，并合理選擇和利用元器件，努力降低生產(chǎn)銷售等環(huán)節(jié)的成本，不斷推出性／價比優(yōu)異的新品種等。
——小功率模塊：以48V／10A輸出模塊為代表。盡管目前其市場占有率不是很大，但隨著移動通訊、專門、農(nóng)話及傳輸系統(tǒng)等逐步向通訊密集型和基站小型化等方向發(fā)展，其市場需求會日益增大，預(yù)計在不久的將來，將會成為各種通信系統(tǒng)應(yīng)用的主導(dǎo)產(chǎn)品，發(fā)展前景看好。小功率模塊屬于成本“敏感”型產(chǎn)品，欲全面滿足通訊系統(tǒng)及環(huán)境等的高標(biāo)準(zhǔn)要求，叉要保證很低的成本，則在研制開始就要考慮采用獨特的電路形式，運用各種新技術(shù)，盡可能提高開關(guān)頻率，以求在保持高性能的基礎(chǔ)上，從根本上明顯降低成本。目前小功率模塊在電路上基本采用單相有源PFC加DC／DC變換器的兩級電路形式，能夠完全滿足各種要求，但成本與輸出功率的比率相對較高，難以適應(yīng)將來大面積推廣的要求。目前國內(nèi)外正積極研制一種單級高功率因數(shù)開關(guān)電路，即開關(guān)電源只由一級開關(guān)主電路構(gòu)成。該電路兼有功率因數(shù)校正和DC／DC變換器兩種功能，在滿足輸出穩(wěn)壓的基礎(chǔ)上，功率因數(shù)可達(dá)0.9以上，而其成本比普通單級開關(guān)變換器電路只增加5％，這非常迎合小功率模塊目前的處境，單從市場角度看就具有很高的開發(fā)價值。但由于單級高功率因數(shù)開關(guān)電路需要同時完成功率因數(shù)校正和輸出電壓恒定的功能，控制較為復(fù)雜，儲能電容及開關(guān)器件等的電應(yīng)力較高，同時在效率等指標(biāo)方面難以達(dá)標(biāo)，離實用化還有一定距離。
2.2 機(jī)架電源系統(tǒng)
——隨著高頻開關(guān)整流器模塊技術(shù)和性能的不斷發(fā)展和完善，由它們組成的機(jī)架電源系統(tǒng)的性能也需要同步地發(fā)展和完善，尤其是在系統(tǒng)功能和系統(tǒng)可靠性兩個方面。這與用戶具體使用息息相關(guān)。
——系統(tǒng)功能。系統(tǒng)功能是開關(guān)整流器模塊性能的外在表現(xiàn)。目前機(jī)架電源系統(tǒng)除其主體——多個開關(guān)整流器模塊外，還包含一監(jiān)控模塊，它起到管理電源系統(tǒng)本身、備用蓄電池及與外界接口等多種作用。另外機(jī)架電源系統(tǒng)還包括交直流配電部分，防雷模塊等。所以一個機(jī)架電源系統(tǒng)功能包含很多方面，如參數(shù)設(shè)置功能、均流功能、均浮充轉(zhuǎn)換功能、低壓斷路功能、單體電池監(jiān)測功能、“三遙”功能以及防雷功能等等。這些功能在大多數(shù)廠家的產(chǎn)品中均已很好地解決，但為了滿足用戶不斷增長的需求，如安裝維護(hù)方便，提高系統(tǒng)故障檢修速度，減少長期維護(hù)費用等，需在系統(tǒng)中進(jìn)一步完善如帶電插撥、參數(shù)自動設(shè)置、單體電池監(jiān)測功能、“三遙”功能等，以充分發(fā)揮開關(guān)電源系統(tǒng)在更多方面的優(yōu)勢。
——系統(tǒng)可靠性。隨著通信系統(tǒng)數(shù)字信息流量的高速增長，對其供電電源的系統(tǒng)級可靠性的要求越來越高。針對這種要求，機(jī)架電源系統(tǒng)需采取一些創(chuàng)新的改進(jìn)方法，以切實提高系統(tǒng)可靠性。
——a.分布式供電：
——近年來有一明顯的趨勢就是在設(shè)計功率系統(tǒng)時，將電話交換設(shè)備配置成分布式供電結(jié)構(gòu)（DP）而取代集中供電方式（CO），這得益于閥控式密封鉛酸蓄電池的實用化。
——傳統(tǒng)的集中供電方式結(jié)構(gòu)是在一個供電機(jī)房內(nèi)有通信開關(guān)電源、蓄電池、交流開關(guān)和各種備用供電設(shè)備等。直流電通過匯流排傳輸?shù)酵ㄐ艡C(jī)房內(nèi)的通信架中。而分布式供電則是一定數(shù)量的較小功率的分布供電模塊（DPM）（包括開關(guān)整流器模塊和蓄電池等）放在每一個通信架一端，給它們直接供電。而交流電則通過轉(zhuǎn)換開關(guān)供電給每一個分布式機(jī)架，這就是分布式供電方式。用分布式供電方式替代集中供電方式有以下明顯優(yōu)勢：
——（1）消除了CO方式中直流匯流排“單點失效”的故障隱患，大大提高了可靠性。
——（2）在機(jī)架內(nèi)更新設(shè)備時造成整個設(shè)施供電中斷的可能性大大降低。
——因此系統(tǒng)可靠性有很明顯地提高。另外分布式供電結(jié)構(gòu)還有其它優(yōu)勢如初期投資少、節(jié)能、維護(hù)方便等。
——b.雙備份直流供電：
——在分布式供電系統(tǒng)中，可以來用兩個DPM分別通過二極管對同一個通信架供電。這種方式在每一個DPM中開關(guān)整流器模塊和蓄電池互有備份，使直流供電部分的可靠性更強(qiáng)。
——c.備份交流電源：
——另外一種提高整個系統(tǒng)可靠性方法是采用單獨的交流電源給系統(tǒng)中的每一個DPM供電，而不是同一交流電源給兩個DPM同時供電，這樣消除了單一交流供電方式的“單點失效”隱患。
——通過以上措施及其它一些措施如增加系統(tǒng)抗雷擊和瞬時過電壓能力以及提高各部件的EMC特性等，能大大提高直流供電系統(tǒng)的有效MTBF（如達(dá)到幾千年）。這是現(xiàn)代通訊系統(tǒng)所需要的。
聶榮琪，亞澳通訊電原有限公司總工程師。1968年畢業(yè)于北京理工大學(xué)，1968年到1997年從事微波器件和應(yīng)用技術(shù)研究工作。1988年到1991年從事電力電子器件和應(yīng)用技術(shù)研究。92年到99年從事通信產(chǎn)品的開發(fā)和研究。專長于通信電源技術(shù)。
孫棟，亞澳通訊電源有限公司電源部主任，工程師。1970年生，1992年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電子工程系，曾先后兩次去澳大利亞學(xué)習(xí)高頻開關(guān)電源技術(shù)，多次參加國內(nèi)各種技術(shù)交流活動。主要從事各種功率通信用高頻開關(guān)電源設(shè)計工作.
