發展中的通信電源技術

2019-11-03 09:55:40

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晏文德　　近年來，伴隨著國內電信分營，聯通、吉通等新型電信運營商的陸續出現，電信業務獨家壟斷的情況被逐漸打破，各運營商為了盡快搶占通信制高點，都在緊鑼密鼓的開展通信設備的建設，掀起了國內通信基礎設施建設的高潮。尤其是近來移動通信的蓬勃發展，鐵通的掛牌成立，聯通舉世矚目的300億CDMA世紀大招標，更是給發展中的通信電源注入了勃勃生機，據專家估計，最近幾年，通信電源都將保持一個比較穩定的市場，僅直流通信電源每年的市場總量都在35億-40億之間。巨大的市場推動，無疑為通信電源各項技術的發展創造了條件。

　　作為通信系統的“心臟”，通信電源在通信局（站）中具有無可比擬的重要地位。它包含的內容非常廣泛，不僅包含48V直流組合通信電源系統，而且還包括DC/DC二次模塊電源，UPS不間斷電源和通信用蓄電池等。其中蓄電池與本文關系不大，而其他幾種通信電源的核心基本一致，都是以功率電子為基礎，通過穩定的控制環設計，再加上必要的外部監控，最終實現能量的轉換和過程的監控。電源技術的發展也主要體現在上述幾個環節的發展之上。

　　從目前的發展看，通信電源的技術發展主要集中在以下五個方面：零壓零流的“軟”開關技術，電源數字化技術，先進的工藝，良好的電磁兼容和高度智能化。為了獲得競爭優勢，要求通信電源在以上五個方面都要達到很高的要求。但技術的發展最終都將體現在通信電源的可靠性上。先進的通信電源設備的平均無故障工作時間（MTBF）已可達100000小時以上。當然，上述五個方面的技術發展本身也是相互依賴，共同發展的，不能把它們完全割裂開來。

　　1 軟開關（soft-switch）技術的發展與應用

　　近30年來，開關變換技術經過了一個由“硬”至“軟”的過程。眾所周知，為了提高電源的可靠性，需要盡可能的減少損耗，降低功率管的溫升，減少功率管承受的電壓應力和電流奕力。但對“硬”開關而言，由于損耗的存在，功率管的溫升、電壓和電流應力不可能太低，這樣不僅整機效率下降，對電源的可靠性帶來非常不利的影響。在這種情況下，零壓零流ZV-ZCS技術（即“軟”開關技術）應運而生。

　　1.1有源功率因數校正（Active power factor corection）“軟”開關

　　有源功率因數校正在電路上一般采用Boost拓撲結構，控制策略采用平均電流控制。但存在二極管的反向恢復電流問題以及主動率開關管上的電壓應力過大的問題。為降低主功率器件的開關損耗，并消除因升壓二極管的反向恢復特性而造成的影響，出現了各種無損吸收電路和ZVT軟開關技術。目前PFC“軟”開關技術的發展主要集中在以下幾種電路形式：

　　*開通關斷無損吸收

　　原理簡圖如1所示。由于電感Ls的作用，可以大大減少升壓二極管的反向恢復電流，實際測試表明，反向恢復電流只有原來RC吸收方案的1/3左右；由于開關管T實現了零電流的開通和零電壓的關斷，大大地減少了主開關器件的開通關斷損耗。

　　*關斷吸收電路

　　該吸收電路可以實現開關管T的零電壓關斷，起不到開通吸收的作用，升壓二極管仍然存在反向恢復電流問題，主功率器件的開通沖擊電流較大。該吸收電路主要用于主功率器件為存在較大關斷拖尾電流的IGBT的電路，會比較明顯地減少因拖尾電而引起的關斷損耗。但對于將MOSFET作為主功率器件的PFC電路，此種吸收電路基本上沒有作用。

　　*有源PFC-ZVT技術方案

　　該技術方案通過增加輔助開關管，在一個開關過程中主功率開關管和輔助開關管都能在軟開關的條件下完成開通和關斷過程，并且升壓二極管也是軟關斷，從而消除了二極管也是軟關斷，從而消除了二極管的反向恢復特性的影響以及減少了因輔助吸收電路的引入導致整機效率下降的問題。但該電路的主要缺點在于：控制較為復雜，有可能導致可靠性不升反降。

　　1.2DC/DC功率變換“軟”開關

　　DC/DC變換部分功率管軟開關的實現目前流行的方式有以下兩種：

　　*移相全橋PS-ZV-ZCS-PWM

　　電路通過增加諧振電感和諧振電容，實現對開關管的“軟”化。目前的技術相對比較成熟，主要用于中大功率等級的DC/DC變換。該電路的缺點是：仍存在橋臂直通問題；實現全負載范圍的軟開關還比較困難。

　　*雙管正激電路+無損吸收

　　由于雙正激電路自然在零電流狀態下開通，該電路主要實現了開關管的零電壓關斷，能大大減小功率器件的關斷損耗，另外，由于采用無損吸收，使得吸收電路的損耗會有很大降低，從而提高整個DC/DC變換的效果。

　　2.數字化的電源技術

　　電源數字化主要是指閉環控制電路的數字化。由于數字化電源具有硬件電路簡單，參數離散性小，損耗減小以及控制精確等一系列的優點，成為是目前業內研究的熱點之一，各器件生產廠家紛紛推出適用于控制領域的控制器，從目前發展的情況看，大致分為兩類：一是以MCU為核心，通過集成部分專用接口，實現對電源的閉環控制。比較典型的是80C196KC單片機。該芯片是Intel公司的第二代CHMOS型16位單片機，它在與外部設備進行數據交換和內部運算時均可采用16位操作方式，時鐘頻率可達16MHz以上，其控制IGBT開關的時間精度可達到微秒級。指令系統相當豐富。另外，80C196KC還集成了一個外設事務服務器（Peripheral Transaction Server），大大提高了響應外設中斷的速度，增強了A/D轉換器的性能（10位/8位）。比較適合于要求實時處理的電源閉環控制系統。還有一種實現電源數字化的方法就是采用數字信號處理器（DSP）。比較典型的就是德州儀器（TI）公司推出的馬達控制專用DSP TMS320C（F）240。該DSP采用哈佛總線構架，具有獨立的程序與數據總線，DSP一次可同時讀取指令和數據。流水線（Pipeline）的預取指推選。片內程序、數字存儲器讀寫，不需要插入任何的等待周期。TMS320F240采用PQFP封裝，50ns指令周期，244K字可尋址空間，獨特的事件管理模塊，可產生12路PWM輸出，兩個10位A/D轉換器，可以同時進行兩路轉換。所有的這些特點都使得該DSP非常適合用于開關整流器或UPS的閉環控制算法的實現。深圳市中興通訊股份有限公司自主開發的純在線ZXUPS就采用了該DSP作為控制核心，除控制UPS輸出高質量50HZ純正弦波外，還實現了對UPS的智能管理，包括控制USP在不同狀態下的運行狀態切換，故障處理并報警、與上位監控系統通信等工作。

　　目前在開關整流器件中采用DSP進行控制的研究還開展不多，這主要是由于DSP價格還比較高，成熟的控制算法比較難于獲得，同時開關整流器的各種專用控制芯片價格非常便宜。但可以肯定，隨著DSP價格的不斷下調，控制算法研究的不斷深入，數字化電源時代就要到來。

　　3.電磁兼容（EMC）技術

　　電磁兼容技術的目的是使產品在一空虛的電磁環境下正常工作。由于通信電源工作在一個非常復雜的電磁環境中，既要做到能夠抵抗其他通信設備和自然環境產生的各種干擾，它本身又不要對其他共局（站）的通信設備產生電磁騷擾。這就要求通信電源在開發設計過程中要符合相關的EMC設計標準。目前國內通信電源行業普遍采用的電磁兼容標準是YD/T983-1998。它的主要內容與歐洲標準EN55022等標準內容等效。世界各國尤其是發達國家，對通信電源的電磁兼容要求普遍采取了各種強制措施。我國信息產業部早在1999年就要求通信電源必須滿足電磁兼容的要求，但由于當時缺乏必要的權威檢測機構，該項工作一直沒有真正受到重視。隨著信息產業部通信計量中心電磁兼容實驗室正式建立，信息產業部要求今后入網的通信電源必須滿足電磁兼容的各項要求。這才使得EMC的研究在國內形成熱潮。

　　要保證通信電源順利通過各項EMC測試，可以在以下幾方面采取必要的措施。

　　*在產品設計的初始階段，同時進行電磁兼容性設計。可以從方案選擇和結構設計等方面進行考慮。如前文提到的各種“軟”開關方案，不僅有利于減少損耗和開關電應力，對于減少各種傳導和輻射騷擾也非常有利　　*重視印制電路板設計。為了控制印制電路板的輻射，應優選多層板。或將信號線和回線緊靠在一起。增加信號的上升/下降時間等。

　　4.開關整流器的工藝發展

　　隨著開關整流器的各種電路拓撲日漸成熟，整流器的工藝越來越受到業內學者的重視，良好的工藝性能不僅能夠減少整流器所產生的各種干擾，而且對于縮小整流器體積，保證整流器的良好散熱，增加整流器的可維護性方面都有重要作用。為了改善機內電磁環境和可生產性，一些國內外電源廠家已采用無連線或少連線工藝技術，即機內印制板之間的連接采用接插件連接方式，變壓器或電感等磁性元件的引線采用直接焊接方式，從而使得機內大電流變換率或高電壓變換率的連線路徑最短，從而大大地簡化了機內的電磁環境。同時，由于板于板之間無外在連線，因而，安裝起來方便快捷，并且因安裝導致的故障率基本上可降至零。

　　5.智能化的監控技術

　　在通信電源的監控領域內，以先進的、集中的、自動化的維護管理方式來管理通信電源及通信設備是必然趨勢，集中監控的目的是對分布的電源及其他一些設備進行遙控、遙測、遙信，實時監視設備運行狀態，記錄和處理有關數據，及時偵測故障，從而提高供電系統的可靠性。

　　電源監控系統一般為三級監控結構：整流器機內監控、前端電源集中監控、遠程監控。電源維護人員既可以通過前端集中監控在現場對電源進行操作，也可以通過遠程監控實現對電源的控制。

　　5.1前端電源集中監控

　　許多通信電源完成前端監控是通過單片機系統實現的，由于單片機本身可利用資源有限，使得一些非常重要的監控功能不能實現，如：不能在現場進行歷史數據和告警的存儲；不能實現復雜的蓄電池管理等。中興公司開發研制了型號為ZXLCSU的通用監控系統，在國內同行中率先采用了Intel386EX作為前端信中監控系統CPU，徹底擺脫了資源限制的困擾，使監控功能更為強大、完美。ZXLCSU電源通用監控系統具有以下獨特的性能：

　　*32位嵌入式微處理器Intel386EX，時鐘可達33MHZ，保證了數據采集的實時笥。充足的資源空間為系統優化、監控系統功能的后續增強提供了保障。

　　*可實現強大的通訊功能。最小系統本身具有四個RS232、RS485或RS422通訊端口，可以滿足通信電源的基本需求。通過加插通訊擴展板，將可擴展多個標準的RS232口或RS485口，可現場接入多個智能設備，實現環境監控的功能。前端監控單元的軟件具有遠程下載及配置功能，系統的升級和維護將更為方便。

　　*完善的故障定位功能。首先設備本身具有自診斷功能，可以將故障定位在板級。同時具備事件順序記錄及事件追憶功能，系統運行時會定時將一些系統信息保存下來，一旦系統出現故障，便可以根據所存信息判斷出故障的具體原因。

　　*系統可實現完善的蓄電池管理功能

　　5.2遠程監控專家系統

　　隨著通信電源的可靠性越來越高，電源維護往往對遠程監控提出了更高的要求，一項變革性的發展就是由過去單純的電源襯時監控轉向了對電源故障的預防，而專家分析系統就是實現故障預防的有力武器。專家系統通過對電源設備的各組成部分如整流器、直流部分、電池部分以及外部環境因素如交流電網、環境溫度等的原始數據的分析，根據分析的結果對用戶的運行維護工作提出建議和指導意見，使故障消滅在萌牙狀態。

　　中興通訊最新推出的3.0版通信電源監控系統，集多年的電源開發經驗和對電源運行的充分理解，實現了強大的專家分析功能。根據專家系統提供的分析結果，運維入員可以方便的對故障進行預防。為電源維護帶來極大的方便，例如對交流部分的分析就下內容：

　　*三相電壓的平衡性分析：通過計算一段時期內三相電壓相互之間的方差，將結果提示給用戶。　　*閥值合理性分析：通過計算一段時期內各相（線）電壓的平均值（不包括停電時的數據），判斷其與正常值偏差的大小，是否長期偏高或偏低，可提示用戶對交流告警閥值進行調整，同時提示用戶由于電網電壓長期偏低會影響整流器的工作壽命。

　　*交流停電時間之和的總計及停電次數統計，油機供電時間之和的總計，通過對油機供電時間的統計可知油機的用油量，對交流停電時間的統計和停電次數的統計可知停電是否頻繁等。

摘自《通信市場》2001.7

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