- 通信電源系統(tǒng)簡介
- 開關電源技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
- 通信電源設計中的最新技術和注意事項
- 使用軟開關技術減少開關損耗，提高效率，為進一步提高變換頻率提供依據(jù)，并減少電磁干擾
- 通過無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正降低電力電子設備諧波損耗、提高功率因數(shù)
- 在電路設計時使用計算機仿真技術是通信電源電路設計更高效
- 重視EMC、電路保護設計、重視結構造型和系統(tǒng)可維護性，發(fā)展智能監(jiān)控功能
通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能集散監(jiān)控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網(wǎng)絡時代的需求。
開關電源的發(fā)展歷程
開關電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源、相控電源到開關電源的發(fā)展歷程，由于開關電源具有功率轉換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點，從而取代了相控電源，成為通信電源的主體，并向著高頻小型化、高效率、高可靠性的方向發(fā)展。計算機控制、計算機通信和計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，為通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供了外部條件，使其發(fā)展逐步實現(xiàn)少人值守，直至無人值守。
通信電源系統(tǒng)簡介
通信電源系統(tǒng)按照容量可以劃分為：
- 中小容量電源系統(tǒng)：輸出容量在300A以下，適用于模塊交換局、移動基站、接入網(wǎng)等；
- 中大容量電源系統(tǒng)：輸出容量為300~600A，適用于中小交換局、移動基站、衛(wèi)星通信站；
- 大容量電源系統(tǒng)：輸出容量在600A以上，適用于大交換局、匯接局、長途局和關口局等?！?/li>
根據(jù)用戶實際需求，電源系統(tǒng)必須可以平滑擴容，通信電源系統(tǒng)可以做到20~6000A的平滑擴容。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成。集散式監(jiān)控系統(tǒng)可將交流配電柜、直流配電柜和整流柜放在不同樓層，實現(xiàn)分散供電，進行實時監(jiān)控。交流配電柜主要完成市電輸入或油機輸入切換和交流輸出分配功能，要求采取必要的防護措施，交流配電柜一般具有三級防雷措施、單面操作維護、實時狀態(tài)顯示和告警等功能；直流配電柜主要完成直流輸出路數(shù)分配、電池接入和負載邊接等功能，一般要求可自由出線，可出面操作維護，可實現(xiàn)柜內并機和柜外并機，具有狀態(tài)顯示和告警功能，能檢測每一路熔斷器的通斷狀態(tài)；整流柜的主要功能是將輸入交流電轉換輸出為滿足通信要求的直流電源，它一般由多臺整流模塊并聯(lián)組成，共同分擔負載，并能良好地均分負載，單模塊故障不應影響系統(tǒng)工作。電源模塊采用低壓差自入均流技術，使模塊間的電流不均衡度小于3％，并具有輸出短路故障自動恢復功能。
監(jiān)控模塊主要實現(xiàn)交流配電柜、直流配電柜和模塊監(jiān)控，此外還要進行電池自動管理功能。
通信電源系統(tǒng)作為通信網(wǎng)絡的能源供給者，除了必須具備可靠、穩(wěn)定等基礎特性外，其電磁兼容設計、防護設計、可操作性和可維護性也是非常關鍵的因素。
開關電源技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
開關電源的基本電路可分為主電路、控制電路、監(jiān)控電路和輔助保護電路等。主電路由電網(wǎng)濾波、整流橋、PFC電路、DC/DC電路、輸出濾波電路組成；控制電路主要包括PWM脈沖信號或SPWN脈沖信號；監(jiān)控電路一般包括CPU電路、通信接口、顯示電路等；輔助保護電路一般包括控制電路等供電輔助電源、輸入過／欠壓保護、輸出過／欠壓保護、過流保護、防雷保護和短路保護等。
軟開關技術
軟開關技術的最大優(yōu)點在于減少開關損耗，提高效率，為進一步提高變換頻率提供依據(jù)，還能大大減少電磁干擾。該技術常見的實現(xiàn)方法包括：緩沖電路、諧振環(huán)路和諧振開關等，其基本思路是利用電感或電容等儲能元件，在開關管開通和關斷時將電壓／電流轉移或諧振到零，從而實現(xiàn)零電壓或零電流開關。
軟開關技術已有成熟產品在應用，如零電壓零電流（ZVZCS）全橋移相變換器已應用于通信模塊電源，效率高達93％；邊緣諧振全橋變換電路也已應用于通信電源模塊。
PFC電路
傳統(tǒng)的電力電子設備（包括電源），會對周圍的電子設備產生危害，并對電網(wǎng)產生諧波污染。一方面，它們會產生二次效應，當電流渡過線路阻抗時，造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓產生畸變；另一方面，它們還會造成電路故障，損壞變電設備，如變壓器過熱、LC振蕩、高次諧波電流渡過電容，誘使其過熱爆炸。為此，降低電力電子設備諧波損耗（THD），提高功率因數(shù)（PF），已成為學術界研究的熱點，生產廠家也不斷推出相關產品。
降低電力電子設備諧波損耗、提高功率因數(shù)的方法主要包括無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。單相APFC技術已相當成熟。三相有源PC技術復雜，成本較高，現(xiàn)基本還處于研究推廣階段。三相PFC與單相PFC的基點相同，通過電流跟蹤電壓變化，提高功率因數(shù)，減小諧波損耗。
在通信電源中，當輸出功率在3kW以下時，一般采用單相輸入；當功率在3kW以上時，一般采用三相輸入。目前的研究重點集中在三相PFC技術，涉及到電路拓撲、控制技術、軟開關技術、單級變換技術、建模與仿真等技術。
電路設計
一般情況下，變換器的建模方法分為數(shù)字仿真法和解析建模法兩大類。數(shù)字仿真法包括分析軟件PSPICE、SABER，它不需要新建電路模型，只需建立電路仿真模型或等效電路即可，分析方法簡單、直觀，應用廣泛。解析建模法通過解析表達式描述開關變換器特性，建模直觀明了，物理概念清楚，可利用線性電路和古典控制理論對開關變換器進行穩(wěn)態(tài)和小信號分析，對設計提供指導。
計算機仿真技術的應用越來越廣泛，主要包括以下幾個發(fā)展方向：
- 數(shù)字電路與模擬電路相結合；
- 控制策略與實際電路相結合，如DSP、PWM、SPWM控制策略，空間矢量控制策略等；
- 建模方法向硬件描述語言過渡，逐步實現(xiàn)標準化，如MAST語言、Spectre-HDL等；
- 多種仿真工具相結合，電路仿真、熱仿真、流體仿真、應力仿真相結合，仿真工具包括Saber、Ansys、Cadence等；
通信電源設計必須考慮電磁兼容性設計，減少對外部環(huán)境的干擾，消除外部干擾，為此國際電工委員會（IEC）相繼發(fā)布了IEC61000系列電磁兼容標準，我國國家質量技術監(jiān)督局決定在國內"等同"采用。通信行業(yè)頒布的《通信電源設備電磁兼容性限值及測量方法》對此進行了詳細的規(guī)定，包括傳導、輻射、諧波電流、電壓起伏、閃爍和抗擾性等要求，其中抗擾性又包括輻射電磁場、射頻連續(xù)傳導信號、浪涌、電快速瞬變脈沖群、電壓跌落和中斷等。
防護技術
防雷設計是保證通信電源系統(tǒng)可靠運行的必不可少的環(huán)節(jié)，雷電對信息設備產生危害的根源在于雷電電磁脈沖，這種雷電電磁脈沖包括雷電流和雷電電磁場。雷電流是產生直擊雷過電壓的根源，而雷電電磁場則是產生感應雷過電壓的根源。對于通信設備而言，雷電過電壓來源主要包括感應過電壓、雷電侵入波和反擊過電壓。在一般情況下，通信電源必須采取系統(tǒng)防護、概率防護和多級防護的防雷原則，通信電源系統(tǒng)應采用三級防雷體系。
防潮、防鹽霧和防霉菌設計稱為三防設計。在潮濕的海洋大氣中，電子設備會吸附一層很薄的濕水層（水膜），當水膜達到20~30分子層厚時會形成化學腐蝕的電解質膜，它對裸露的金屬表面具有很強的腐蝕活性。另外，溫度突變會在空氣中產生露點，使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產生銅綠、引腳腐蝕斷裂等情況。濕熱環(huán)境為霉菌的滋生提供了有利條件，霉菌以電子設備中的有機物為養(yǎng)料，吸附水分并分泌有機酸，破壞絕緣，引發(fā)短路，加速金屬腐蝕。為此，工程上通常選用耐蝕材料，通過鍍、涂或化學處理方法對電子設備的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質隔離，從而達到防護的目的；在結構上采用密封或半密封形式隔絕外部環(huán)境；對印制板及組件表面涂覆專用三防清漆，避免導線之間的電暈、擊穿，提高電源的可靠性；變壓器必須進行浸漆、端封，以防潮氣進入引發(fā)短路。
安全設計
安全性是電源設備最重要的指標，其不安全隱患不但不能完成正常的供電要求，而且還有可能發(fā)生嚴重的事故，甚至造成機毀人亡的巨大損失。為此，必須加強安全性設計工作，包括防電危險、過熱危險等。商用設備的安全標準包括UL、CSA、VDE等，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國軍用標準 GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5mA。通信電源產品應通過中國CCEE安全認證和UL安全認證。
結構造型
現(xiàn)代機械設計的概念比較復雜，在滿足功能的前提下，還要滿足情趣、品味、生產管理、價格等各方面的要求。通信電源在產品結構性能方面朝著單面操作，自由出線，模塊化設計，減低成本和小型化等方向發(fā)展。結構造型的發(fā)展方向將嚴格按IEC-297標準尺寸設計，與國際行業(yè)接軌，實現(xiàn)不同企業(yè)產品的可替換件，滿足安全規(guī)范、 EMC測試要求等。
操作與維護
在系統(tǒng)日趨小型化的今天，操作和維護的方便性顯得非常重要，它要求系統(tǒng)在設計之初就必須綜合考慮這一因素，如全正面操作維護、機柜靠墻安裝、在線維護和熱插拔技術等。電源系統(tǒng)的直流配電采用插箱式結構，滿足用戶的差異需求，安裝、維護方便；整流模塊采用無損傷熱插拔技術；風冷自然冷兼容性設計；風扇更換時間少于30s，防塵網(wǎng)更換時間少于20s，方便維護。
智能化監(jiān)控
現(xiàn)代通信電源系統(tǒng)基本上都采用集中分散式監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)中狀態(tài)量和控制量進行監(jiān)控，通過網(wǎng)絡技術將信息送入監(jiān)控模塊。同時，監(jiān)控模塊還可對電池進行全自動管理，包括電池在線管理、均浮充轉換、停電后的來電預限流控制和電池放電測試等。監(jiān)控模塊還可對整流模塊電壓進行調節(jié)和無級限流控制，檢測整流模塊狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)運行的異常情況進行保護和告警。通過監(jiān)控模塊上網(wǎng)，可以在Internet上傳輸控制數(shù)據(jù)，使維護人員通過Internet進行數(shù)據(jù)查詢等維護工作。具有RS485／422、RS232、內／外置Modem等多種接口。
結論
電力電子技術是一項非常重要的基礎支撐科技，現(xiàn)代科技領域的7個關鍵環(huán)節(jié)包括能源、環(huán)保、資訊、通信、生命科學、材料、交通。其中的每一項領域，無一不和電力電子緊密相關，開關電源作為一個重要方面，具有美好的發(fā)展前景。
