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通信电源介绍

2021-02-05 13:25

开关电源在通信系统中的应用已有20多年历史。对通信开关电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、高功率因数(AC输入端),以及智能化、低成本、EM小、可制造性、分布电源结构等。

20世纪推动通信开关电源性能和质量不断提高的主要技术有:

(1)通信电源技术-新型高频功率半导体器件:

功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管,使开关电源高频化有了可能器件的工作频率可达到400Hz(AC-DC开关变换器)和1MHz(DC-DC开关变换器),超快恢复功率二极管和MOSF ET同步整流技术的开发,也为研制高效、低电压输出(U<3 V)的开关电源创造了条件。

(2)通信电源技术-软开关技术:

PMM电源按硬开关模式工作时开关损耗大。高频化可以缩小电源体积重量,但开关的损耗却更大了。为此研究开发出开关电压电流波形不交叠的技术,即零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术(或称软开关技术),有效地提高了开关电源的效率。例如在九十年代中期,30A/48V开关整流器模块采用移相全桥ZVS-PMM技术后,仅重7kg。比用PWM技术的同类产品,重量下降40%,最近国外小功率DC-DC开关电源模块(481)总效率可达到96%4815 V DC-DC开关电源模块的效率可达到92-93%。二十世纪末,国内生产的50-100A输出、全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%,

(3)通信电源技术-控制技术:

电流型控制及多环控制已得到较普遍应用,电荷控制、一周期控制、数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制,使电子电源动态性能有很大提高,电路也大幅度简化。

(4)通信电源技术-有源功率因数校正技术:

一大类由整流电源供电的电子设备由于输入端有整流元件和滤波电容,其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率因数校EAPC(Acive Power Factor Correctio),可提高到0.95-0.99,既治理了电网的谐波污染,又提高了电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用,而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6KW,100A通信用AC-DC电源中,输入端功率因数可达0.92-0.93

(5)通信电源技术-Magamp后置调节器技术:

在八十年代,由于高频磁性材料如非晶态软磁合金、超微晶软磁合金等的发展,使有可能在多路输出的高频(1 100 KH2)开关电源中使用可控饱和电感(高频磁放大器Magamp),作为其中一路输出的电压调节器,也称为后置调节器。这种方式的优点是:电路简单、EMI小、工作可靠、高效,可较精确地调节输出电压。特别适合应用于输出电流为一安到几十安的开关电源。

(6)通信电源技术-饱和电感技术:

饱和电感是带铁心(无空隙)的线圈,其特点是铁心的饱和程度和电感量随通过的电流大小而变。如果铁心磁特性是理想的(呈矩形),则饱和电感工作时,类似一个开关。在开关电源中,应用饱和电感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡,和快恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。

(7)通信电源技术-分布电源技术、并联均流技术:

分布电源技术是将250-425 48V DC-DC变换器产生的48 V母线电压供给负载板,再通过板上若干个并联的薄型DC-DC变换器,将48 V变换为负载所需的3.3-5电压。一般,DC-DC变换器的功率密度达100Win3、效率为90%,并且应当是可并联的。分布电源系统适合于由超高速集成电路(NHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等,其优点是:可降低48 V母线上的电流和电压降,容易实现N+1余,提高了系统可靠性;易于扩增负载容量;瞬态响应好;可实现DC-DC变换器组件模块化;易于使用插件连接;可在线更换失效模块等。

(8)通信电源技术-电源智能化技术和系统的集成化技术:

电子电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。

上述各项通信电源技术的应用,尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统,仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。进入二十一世纪,我国工业界和学术界,包括电力电子、电源、通信、材料等行业,应协同开发下述和电子开关电源相关的产品和技术:

(1)探索研制耐高温的高性能碳化硅功率半导体器件可以预见,碳化硅将是二十一世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料,碳化硅的优点是禁带完、工作温度高(可达600℃C)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等等。

(2)平面磁心及平面变压器技术平面磁心的开发可实现超薄型变压器和超薄型开关变换器,适用于便携式电子设备电源及板上电源,由于其结构呈宽扁形,散热面积大,更适用于高频变压器。
平面变压器要求磁心、绕组都是平面结构,故应采用多层印刷电路绕组、铜箔绕组等。据报载,国外已有多家公司开发了平面变压器,Payton公司制造的5W-20KW变压器,其体积及功率密度仅为传统高频变压器的20%,一个手提箱内可放总功率达几十千瓦、十几种平面变压器,其效率在97-99%工作频率50kHz-2MHz,漏感<0.2%;EM小。

(3)集成高频磁元件技术及阵列式磁元件技术将多个磁元件(如多个电感、变压器)集成在一个磁心上,可以减少变换器体积,降低磁元件损耗。国外已有集成磁元件变换器(简称IM变换器)的报道:50W输出功率、5V及15V两路输出、100kHZ频率,电路拓朴为DC-DC正激变换器,变压器和输出滤波电感在一个磁心上实现。阵列式磁元件技术是将电路中磁元件离散化,形成分布式阵列布置,或形成磁结构层",使磁结构与电路板或其他器件紧密配合,集成化。

(4)磁电混合集成技术包括磁心与晶体管硅片集成,利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。

(5)新型电容器研究开发适合于能源和大功率系统用的新型电容器,要求电容星大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。据报道,美国南卡罗菜纳州KEMET电子公司在九十年代末,已开发出330uF新型固体组电容,其ESR从原来的500m2降到30m2。

(6)功率因数校正(PF Correcte)AC-DC开关变换技术一般高功率因数AC-DC电源,要用两个电力电子电路串级运行,在DC-DC开关变换器前加一级前置功率因数校正器。对于小功率PWM开关电源至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路,总体效率低、成本高。

(7)低电压大电流(1V/50A)输出DC-DC变换器为适应下一代快速微处理器、可携带式通讯设备、服务器等供电设备的需求,要求开发低输出电压、大电流DC-DC开关变换器,或称“电压调节器模块"Votage Regulator Module称VRM),其输出电压为1.1-1.8 V,输出电流达50-100A,电流转换速率达5A/ns。

由于电路有高频寄生参数,当电流大幅度变化时,引起输出电压扰动。为防止这种抗动,过去采用增大输出滤波电容、电感的方法,但其缺点甚多。国外开发了用多输入通道或多相DC-DC变换器作为服务器的电源。输出采用波形交错叠加方案保证VRM输出纹波小,改善输出瞬态响应,并减少输出滤波电感和电容。

(8)通信电子电源的设计、测试技术主要是电源热设计及测试,EMI设计及测试,可靠性设计及测试等技术的开发、研究与应用。

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