 [摘要]簡要回顧了20世紀通信開關電源技術發展和取得的成就；高功率密度、高功率、高性能、高可靠性仍然是今后通信開關電源的發展方向。提出了21世紀我國應注意開發的通信開關電源技術；碳化硅(SiC)功率半導體器件、平面磁心及平面變壓器、集成磁元件、磁電混合集成元件、S4高功率因數開關變換器、低電壓大電流DC-DC變換器(VRM)、電源EMI、可靠性和熱分布的設計及測試等技術的開發、研究與應用等。

 關鍵詞：通信 開關電源 DC-DC開關變換器 通信用AC-DC電源早期采用鐵磁諧振穩壓器(FerroResonance Stabilizer)和半導體整流器組成的電源系統。70年代改用相控穩壓電源(Phase-Conrolled Stabilizer)以晶閘管(Thyristor)即硅可控整流元件(SCR)為主，組成380(220)V AC/48V DC穩壓系統，稱為相控整流器(Phase-Conrolled Rectirier)。所需±5V、±12V DC由線性電子穩壓電源或其它穩壓電源供給。

 80年代，大功率AC/DC開關電源(400V AC輸入、輸出48V DC、500W-6kW)成為通信系統一次電源的主流產品，稱為開關整流器SMR(Switching-mode Rectifier)。配置48/±5，±12V DC-DC開關變換器模塊和鈴流模塊，稱為二次電源。開關整流器與相控整流器比較，在體積、重量和效率幾方面更為優越(表1)。

 隨著微處理器ULSI尺寸不斷減小，供電電源的尺寸與微處理器相比更大得多，需要發展小型輕型電源(見表2)；電源的小型化、輕量化，對便攜式通信設備(如移動電話等)更為重要。為達到高功率密度，必須提高開關電源工作頻率。下代微處理機還要求更低輸出電壓(≤1V)的開關電源。 對通信開關電源的要求是：高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因數(AC輸入端)，以及智能化、低成本、EMI小、可制造性(Manufacturability)、分布電源結構(Distributed Power Architecture)等。

 20世紀推動開關電源性能和質量不斷提高的主要技術是：

 1.新型高頻功率半導體器件

 如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶體管和中小電流的晶閘管，使開關電源工作頻率可達到400kHz(AC-DC開關變換器)和1MHZ(DC-DC)開關變換器，實現開關電源高頻化有了可能。超快恢復功率二極管和MOSFET同步整流技術的開發，也為研制高效低電壓輸出(≤3V)的開關電源創造了條件。

 2.軟開關技術 PWM開關電源按硬開關模式工作(開/關過程中，電壓下降/上升/下降波形有交疊)，因而開關損耗大。開關電源高頻化可以縮小體積重量，但開關損耗卻更大了(功耗與頻率成正比)。為此必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術，即所謂零電壓(ZVS)/零電流(ZCS)開關技術，或稱軟開關技術(相對于PWM硬開關技術而言)。 90年代中期，30A/48V開關整流器模塊采用移相全橋(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PWM技術后，重7。比用PWM技術的同類產品，重量下降40％。軟開關技術的開發和應用提高了開關電源的效率，據說，最近國外小功率DC-DC開關電源模塊(48/12V)總功率可達到96％；48/5V DC-DC開關電源模塊的效率可達到92-93％。20世紀末，國內生產的50-100A輸出、全橋移相ZV-ZCS-PWM開關電源模塊的效率超過93％。 3.控制技術 電流型控制及多環控制(Multi-loop control)已得到較普遍應用；電荷控制(Charge control)，一周期控制(One-cycle control)，數字信號處理器(DSP)控制等技術的開發及相應專用集成控制芯片的研制，使開關電源動態性能有很大提高，電路也大幅度簡化。 4.有源功率因數校正技術 由于輸入端有整流元件和濾波電容，單相AC-DC開關電源及一大類整流電源供電的電子設備，其電網側(輸入端)功率因數僅為0.65。用有源功率校正技術(Active Power Factor Correction)，簡稱APPC，可提高到0.95-0.99，既治理了電網的諧波“污染”，又提高了開關電源的整體效率。單相APFC是DC-DC開關變換器拓撲和功率因數控制技術的具體應用，而三相APFCA則是三相PWM整流開關拓撲和功率因數控制技術的結合。 國內通信電源專業工廠已將有源功率因數校正技術應用于輸出6kW、100A通信用AC-DC開關電源中，輸入端功率因數可達0.92-0.93。 5.Magamp后置調節器技術 80年代，由于高頻磁性材料，如非晶態軟磁合金(Amorphous)、超微晶軟磁合金(Nano-crystalline alloy)等的發展，使有可能在多路輸出的高頻(＞100kHz)開關電源中用高頻磁放大器(Magamp)，即可控飽和電感(Controlled Saturable Indutor)，作為其中一路輸出的電壓調節器(Output Regulator)，稱為后置調節器(Post-regulator)。其優點是：電路簡單、EMI小、可靠、高效，可較精確地調節輸出電壓。特別適合應用于輸出電流1安到幾十安的開關電源。 6.飽和電感技術 飽和電感(Saturable inductor)是帶鐵心(無空隙)的線圈，其特點是：鐵心的飽和程度和電感量隨通過的電流大小而變。如果鐵心磁特性是理想的(例如呈矩形)，則飽和電感工作時，類似一個開關。在開關電源中，應用飽和電感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振蕩，和快恢復整流管串聯時可使整流管損耗減小。 飽和電感在開關電源中的應用 a)用作移相全橋ZVS-PWM開關電源的諧振電感，從而擴大了輕載下開關電源滿足ZVS條件的范圍。 b)消除開關電源的二次寄生振蕩 與開關電源的隔離變壓器副邊輸出整流管串聯，可消除二次寄生振蕩(Secondary parasitic ringing)，減少循環能量，并使移相全橋ZVS-PWM開關電源的占控比損失最小。 c)移相全橋ZVS-PWM開關電源中實現ZV-ZCS 和電容串接在移相全橋ZVS-PWM開關電源變壓器原邊，超前臂開關管按ZVS工作；當負載電流趨近于零時，電感量增大，阻止電流反向變化；創造了滯后臂開關管ZCS條件，實現移相全橋ZV-ZCS PWM開關電源。 7.分布電源技術、并聯均流技術 分布電源技術(Distributeb Power Technipue)是將250-425/48V DC-DC變換器產生的48V母線(Distributed Bus)電壓，供電給負載板(Board)，再通過板上(On board)若干個并聯的薄型(Low PRofile)DC-DC變換器，將48V變換為負載所需的3.3-5V電壓。一般，DC-DC變換器的功率密度達100W/in3、效率90％，并且應當是可并聯的(Parallelable)。分布電源系統適合于用超高速集成電路(Very High Speed IC-VHSIC)組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數字電子交換系統等，其優點是：可降低48V母線上的電流和電壓降；容易實現N+1冗余(Redundancy)，提高了系統可靠性；易于擴增負載容量；散熱好；瞬態響應好；減少電解電容器數量；可實現DC-DC變換器組件模塊化(Modularity)；易于使用插件連接；可在線(On line)更換失效模塊等。 8.電源智能化技術和系統的集成化技術 開關電源微處理器監控、電源系統內部通信、電源系統智能化技術以及電力電子系統的集成化與封裝技術等。 以上簡要回顧了20世紀通信開關電源發展的歷程和取得的成就，上述各項技術的應用，尤其是開發高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化電源系統，仍然是今后通信開關電源技術的發展方向。 進入21世紀，我國工業界、學術界、電力電子、電子電源、通信、材料等行業，還應協同開發下述和通信開關電源相關的產品和技術。 1.探索研制耐高溫的高性能碳化硅(SiC)功率半導體器件 可以預見，碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器材料，碳化硅的優點是：禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高，等等。 2.平面磁心及平面變壓器技術 平面磁心(Planar core)的開發，可實現超薄型(Lowprofile)變壓器和超薄型開關變換器。適用于便攜式(Portable)電子設備電源及板上(On-board)電源。由于其結構呈寬扁形，散熱面積大，更適合于高頻變壓器。 平面變壓器要求磁心、繞組，銅箔繞組等。據報道，國外已有多家公司開發了平面變壓器。提箱內可放總功率達幾十kW、十幾種平面變壓器。效率97-99％；工作頻率50/Payton公司制造的5W-20kW變壓器，其體積及功率密度僅為傳統高頻變壓器的20％，一個手提箱內可放總功率達幾十kW、十幾種平面變壓器。效率97-99％；工作頻率50kHz-2MHz；漏感＜0.2％；EMI小。 3.集成高頻磁元件技術及陣列式(Matrix)磁元件技術 將多個磁元件(如多個電感，變壓器和電感)集成在一個磁心上。可以減少變換器體積，降低磁元件損耗。國外已有集成磁元件變換器(Integrated Magnetics Converter)的報道：50W輸出、5V及15V兩路、100kHz，DC-DC正激變換器，變壓器和輸出濾波電感在一個磁心上實現，簡稱IM變換器。 陣列式磁元件技術是將電路中磁元件離散化，形成分布式陣列布置，或形成“磁結構層”，使磁結構與電路板或其他器件緊密配合，集成化。 4.磁電混合集成技術 包括磁心與晶體管硅片集成、利用電感箔式繞組層間分布電容實現磁元件與電容混合集成等。 5.新型電容器。 研究開發適合于能源和功率系統用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯電阻(ESR)小、體積小等。據報道，美國南卡羅里那州KEMET電子公司在90年代末，已開發出330μF新型固體(Solid Tantalum)電容，其ESR從原來的500mΩ降到30mΩ。 6.S4功率因數校正(PF Corrected)AC-DC開關變換技術 一般高功率因數AC-DC開關電源，要用兩個電力電子電路串級(Cascade)運行，在DC-DC開關變換器前加一級前置功率因數校正器。對于小功率PWM開關電源，至少需要兩個主開關管和兩套控制驅動電路，總體效率低、成本高。 用一級AC-DC開關變換器實現小功率穩壓或穩流電源，并使輸入端功率因數(PF)校正到0.8以上，稱為單管單級(Single Switch Stage)，簡稱S4功率因數校正(PF Corrected)AC-DC開關變換器。例如，前置功率因數校正用DCM運行的DCM運行；兩級電路合用一個主開關管，因為反激電路有隔離變換器，故稱S4功率因數校正隔離式AC-DC開關變換器。當然，如果加有源鉗位或其他軟開關技術，還需要一個輔助開關管，稱為單級(Single Stage-S2)有隔離正軟開關電源的實驗結果；效率86.5％，功率因數0.98，THD13％，開關頻率150kHz，輸入155VAC，輸出28V，80W。 7.輸出1V/50A的低電壓大電流DC-DC變換器。 為適應下一代快速微處理器、可攜帶式通訊設備、服務器(Server)等供電的需求，要求開發低輸出電壓、大電流DC-DC開關變換器，或稱電壓調節器模塊VRM(Voltage Regulator Module)。其輸出電壓為1.1-1.8V，輸出電流達50-100A，電流轉換速率達5A/ns。 由于電路有高頻寄生參數，當電流大幅度變化時，引起輸出電壓擾動。為防止這種擾動，過去采用增大輸出濾波電容、電感的方法，但缺點甚多。國外開發了用多輸入通道(Multi Channel)或多相(Multi-Phase)DC-DC變換器作為服務器的電源。輸出采用波形交錯疊加(Interleaving)方案，保證VRM輸出紋波小，改善輸出瞬態響應，并減少輸出濾波電感和電容。 表3為減小VRM輸出紋波的兩種方案比較： 8.通信開關電源的設計、測試技術 主要是電源熱設計及測試，EMI設計及測試，可靠性設計及測試等技術的開發、研究與應用。