通信开关电源知识及行业发展现状

在通信开关电源中,通信高频开关整流器组成的高频开关电源系统作为基础供电设备,通常被认为是整个通信系统的“心脏“。一旦其发生故障,则整个通信系统工作将会受到严重威胁,会导致大面积通信瘫痪,造成重大的经济损失。因此其现状及发展倍受人们关注。
    通信开关电源行业现状分析
    国内自九五年以后,通信用高频开关电源系统全面取代了原有相控电源系统,其技术和市场得到了高速发展。再加上移动通信的迅速增长,其发展更是势不可挡,成为各类开关电源最为活跃的品种之一。其巨大的市场和高额的利润吸引了众多厂家相互竞争,逐步形成了产品多品种、多样化的“百家争鸣”的局面。据了解,现国内较大的生产厂家已有十几家,各有其鲜明的特点。但其总的特点可归纳为:高效率、高频化、模块化、智能化和“标准”化。
    效率是电源的最重要的指标之一。高效率是每个厂家竞相追逐和大力宣传的重点之一。高效率的好处很多,如更低的运行成本、更低的工作温度及由此带来的更高的可靠性和更长的寿命、更低的空调要求等。现在通信用高频开关整流器整机效率高达90%以上已很普通,不带有源功率因数校正电路的最高可达93~94%,并还有进一步提高的可能。
    高频化是目前开关电源技术发展的主要方向之一,也是高频开关整流器发展的重要趋势之一。提高开关频率可缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度,还可改善开关电源的动态性能,减轻滤波电路压力,并可进一步降低成本。但随着开关频率的提高,功率器件的开关损耗将成比例地增加。所以在开关频率较高时,需采取非常有效的“软化”措施尽可能降低器件的开关损耗。目前比较流行的方法是采用有源软开关技术,如谐振术、准谐振(或多谐振)技术、ZCSP WM(或ZVS-PWM)技术及ZCTPWM(或ZVT-PWM)技术等。这些技术优点是效果很好,可将开关频率提至很高,一般在1OO~4OOkHz。但其缺点也很明显,主要是器件的电流、电压应力较大,技术本身有待完善,多一辅助开关后控制较复杂等。另一种较实用的方法是采用无源无耗软开关技术,即采用无源器件(L、C、D 等)构成独特的(专利的)电路网络,对功率开关实现无损耗缓冲。其特点是全部采用无损耗的无源器件,不需额外的控制,电路简单,可靠性高,效果也不错。目前有高频开关整流器采用独特的无源无耗软开关技术将开关频率提高到200kHz(最大功率输出达2800 瓦),取得了很好的效果。
    模块化设计是高频开关整流器的重要特色之一。在过去的十几年中,随着轻巧、紧凄的高频开关整流器模块的出现,直流供电系统的模块式结构变得非常容易实现,可方便地组成各种不同功率等级的电源系统,从几十安培一直到几千安培或更大。这种模块式结构除了具有很强的适应性外,还有一些很重要的优点如:系统初始投资少、扩容非常方便、安装运输方便、冗余方式工作额外投入很少、维护快捷方便等。 目前绝大多数通信电源厂家均采用模块化设计,并已形成系列化,其单体整流器模块电流多数为5A,10A,30A,50A,1OOA,200A 等。而在通讯领域包括移动通讯等大量使用的整流器模块为30A、50A、100A 三个品种,可组成150A、30M、600A、1OO0A 等各类功率等级的直流电源系统,主要供电子大型电话局、移动通讯基站等。
    智能化是现代通信系统对其基础供电电源高标准要求的必然结果,是新型单片机技术在开关电源领域应用的完美体现。为满足通信系统各种场合、各种条件的用电需要,保证电源系统的最佳工作状态,需对电源系统进行有效的监视、全面的控制及完善的告警及保护;为达到系统安装、维护的简便性,需使高频开关整流器具有如带电插拔(HOTPLUG,IN)、参数自动设置及更正等“傻瓜型”功能;同时为减少电源系统的故障检修时间,减小长期维护的人力和费用,并提高系统的可靠性,需对电源系统进行远距离“遥控、遥测、遥信”(“三遥”),方便地实施系统故障检测、故障诊断和故障隔离。所有这些要求都是要建立在单片机技术的基础上而得以全面满足,并最终达到一种高度智能化的目的。目前多数通信电源厂家已成功地将单片机技术应用于高频开关整流器模块及监控模块之中,并通过RS232、RS422 等标准通讯口及MODEM 等与微型计算机连接起来,实现“三遥”功能,并最终通过公用电话网或通信专网将不同区域内甚至是世界范围的电源系统连接起来,实施大面积集中监控,满足了现代通讯系统的高标准、高可靠的要求,达到了智能化的目的。
    各电源厂家都已经或正在为自己的产品满足这些标准的要求做准备,以实现产品的“绿色化”。同时为使开关电源产品安全性能更高,避免对使用人、物及环境造成安全事故,杜绝各种安全隐患,国外、国内都制定了相应安全标准,实施了各种安全认证,如欧洲有“CE”标志认证,中国有“长城”标志认证等。所谓“标准”化是指开关电源要满足或必须满足越来越多、越来越严的各种国内及国际的标准的要求。目前高频开关整流器产品在设计时需满足的标准,除自身规范要求外,主要有电磁兼容标准和安全标准两种。为改善供电电网质量,同时也提高开关电源本身适应环境的能力,国际上有关组织及国内相关部门都积极制定了各种电磁兼容标准,预计在不久的将来将对相关产品强制执行。“标准”化是产品质量改善及国际化发展趋势的需要。目前在高频开关整流器产品范围内国外设计的产品“标准”化工作要好于国向自行设计的产品,这主要与国内“标准”化工作基础较差、标准意识不强、检测手段不完善等有关。但可以看到,随着国内生活环境的极大改善,市场竞争的日趋激烈,国人安全意识的提高等,国内有关部门及各生产厂家都越来越重视产品的“标准”化设计工作,以期明显提高产品的国际竞争力,同时改善人们的生存环境。
 高频开关电源技术在通信行业的发展

    通信用高频开关电源技术的发展基本上可以体现在几个方面:变换器拓扑、建模与仿真、数字化控制及磁集成。

    1.1 变换器拓扑

    软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力,有助于变换器效率的提高; 采用PFC技术可以提高AC/DC变换器的输入功率因数,减少对电网的谐波污染;而多电平技术主要应用在通信电源三相输入变换器中,可以有效降低开关管的电压应力。同时由于输入电压高,采用适当的软开关技术以降低开关损耗,是多电平技术将来的重要研究方向。

    为了降低变换器的体积,需要提高开关频率而实现高的功率密度,必须使用较小尺寸的磁性材料及被动元件,但是提高频率将使MOSFET的开关损耗与驱动损耗大幅度增加,而软开关技术的应用可以降低开关损耗。目前的通信电源工程应用最为广泛的是有源钳位ZVS技术、上世纪90年代初诞生的ZVS移相全桥技术及90年代后期提出的同步整流技术。

    1.1.1 ZVS有源钳位

    有源箝位技术历经三代,且都申报了专利。第一代为美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术,将DC/DC的工作频率提高到1MHZ,功率密度接近 200W/in3,然而其转换效率未超过90%。为了降低第一代有源箝位技术的成本,IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利,其采用P沟道 MOSFET,并在变压器二次侧用于forward电路拓扑的有源箝位,这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关(ZVS)边界条件较窄,而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉,一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利,其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载,所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案:其中一个方案可以采用N沟MOSFET,因而工作频率可以更高,采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术都结合在一起,因而其实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

    1.1.2 ZVS移相全桥

    从20世纪90年代中期,ZVS移相全桥软开关技术已广泛地应用于中、大功率电源领域。该项技术在MOSFET的开关速度不太理想时,对变换器效率的提升起了很大作用,但其缺点也不少。第一个缺点是增加一个谐振电感,其导致一定的体积与损耗,并且谐振电感的电气参数需要保持一致性,这在制造过程中是比较难控制的;第二个缺点是丢失了有效的占空比。此外,由于同步整流更便于提高变换器的效率,而移相全桥对二次侧同步整流的控制效果并不理想。最初的 PWMZVS移相全桥控制器,UC3875/9及UCC3895仅控制初级,需另加逻辑电路以提供准确的次极同步整流控制信号;如今最新的移相全桥PWM 控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2,虽然已增加二次侧同步整流控制信号,但仍不能有效地达到二次侧的ZVS/ZCS同步整流,但这是提高变换器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一个重大改进是可以减小谐振电感的电感量,这不仅降低了谐振电感的体积及其损耗,占空比的丢失也所改进。

    1.1.3 同步整流

    同步整流包括自驱动与外部驱动。自驱动同步整流方法简单易行,但是次级电压波形容易受到变压器漏感等诸多因素的影响,造成批量生产时可靠性较低而较少应用于实际产品中。对于12V以上至20V左右输出电压的变换则多采用专门的外部驱动IC,这样可以达到较好的电气性能与更高的可靠性。

    TI公司提出了预测驱动策略的芯片UCC27221/2,动态调节死区时间以降低体二极管的导通损耗。ST公司也设计出类似的芯片STSR2/3,不仅用于反激也适用于正激,同时改进了连续与断续导通模式的性能。美国电力电子系统中心(CPES)研究了各种谐振驱动拓扑以降低驱动损耗,并于1997年提出一种新型的同步整流电路,称为准方波同步整流,可以较大地降低同步整流管体二极管的导通损耗与反向恢复损耗,并且容易实现初级主开关管的软开关。凌特公司推出的同步整流控制芯片LTC3900和LTC3901可以更好地应用于正激、推挽及全桥拓扑中。

    ZVS及ZCS同步整流技术也已开始应用,例如有源钳位正激电路的同步整流驱动(NCP1560),双晶体管正激电路的同步整流驱动芯片LTC1681及LTC1698,但其都未取得对称型电路拓朴ZVS/ZCS同步整流的优良效果。

    1.2 建模与仿真

    开关型变换器主要有小信号与大信号分析两种建模方法。

    小信号分析法:主要是状态空间平均法,由美国加里福尼亚理工学院的R.D.Middlebrook于1976年提出,可以说这是电力电子学领域建模分析的第一个真正意义的重大突破。后来出现的如电流注入等效电路法、等效受控源法(该法由我国学者张兴柱于1986年提出)、三端开关器件法等,这些均属于电路平均法的范畴。平均法的缺点是明显的,对信号进行了平均处理而不能有效地进行纹波分析;不能准确地进行稳定性分析;对谐振类变换器可能不大适合;关键的一点是,平均法所得出的模型与开关频率无关,且适用条件是电路中的电感电容等产生的自然频率必须要远低于开关频率,准确性才会较高。

    大信号分析法:有解析法,相平面法,大信号等效电路模型法,开关信号流法,n次谐波三端口模型法,KBM法及通用平均法。还有一个是我国华南理工大学教授丘水生先生于1994年提出的等效小参量信号分析法,不仅适用于PWM变换器也适用于谐振类变换器,并且能够进行输出的纹波分析。

    建模的目的是为了仿真,继而进行稳定性分析。1978年,R.Keller首次运用R.D.Middlebrook的状态空间平均理论进行开关电源的SPICE仿真。近30 年来,在开关电源的平均SPICE模型的建模方面,许多学者都建立了各种各样的模型理论,从而形成了各种SPICE模型。这些模型各有所长,比较有代表性的有:Dr.SamBenYaakov的开关电感模型;Dr.RayRidley的模型;基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的开关电源平均Pspice模型;基于StevenSandler的ICAP4的开关电源平均Isspice模型;基于Dr.VincentG.Bello 的Cadence的开关电源平均模型等等。在使用这些模型的基础上,结合变换器的主要参数进行宏模型的构建,并利用所建模型构成的DC/DC变换器在专业的电路仿真软件(Matlab、Pspice等)平台上进行直流分析、小信号分析以及闭环大信号瞬态分析。

    由于变换器的拓扑日新月异,发展速度极快,相应地,对变换器建模的要求也越来越严格。可以说,变换器的建模必须要赶上变换器拓扑的发展步伐,才能更准确地应用于工程实践。

 


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