- 通信電源系統(tǒng)簡介
- 開關(guān)電源技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
- 通信電源設(shè)計中的最新技術(shù)和注意事項
- 使用軟開關(guān)技術(shù)減少開關(guān)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(shè)備諧波損耗、提高功率因數(shù)
- 在電路設(shè)計時使用計算機仿真技術(shù)是通信電源電路設(shè)計更高效
- 重視EMC、電路保護設(shè)計、重視結(jié)構(gòu)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(shè)計目標(biāo)是安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷地向通信設(shè)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(luò)時代的需求。
開關(guān)電源的發(fā)展歷程
開關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源、相控電源到開關(guān)電源的發(fā)展歷程，由于開關(guān)電源具有功率轉(zhuǎn)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(luò)技術(shù)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(guān)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(fù)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(nèi)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(zhuǎn)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(dān)負(fù)載，并能良好地均分負(fù)載，單模塊故障不應(yīng)影響系統(tǒng)工作。電源模塊采用低壓差自入均流技術(shù)，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(fù)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(luò)的能源供給者，除了必須具備可靠、穩(wěn)定等基礎(chǔ)特性外，其電磁兼容設(shè)計、防護設(shè)計、可操作性和可維護性也是非常關(guān)鍵的因素。
開關(guān)電源技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
開關(guān)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(guān)技術(shù)
軟開關(guān)技術(shù)的最大優(yōu)點在于減少開關(guān)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(shù)常見的實現(xiàn)方法包括：緩沖電路、諧振環(huán)路和諧振開關(guān)等，其基本思路是利用電感或電容等儲能元件，在開關(guān)管開通和關(guān)斷時將電壓／電流轉(zhuǎn)移或諧振到零，從而實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)。
軟開關(guān)技術(shù)已有成熟產(chǎn)品在應(yīng)用，如零電壓零電流（ZVZCS）全橋移相變換器已應(yīng)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(yīng)用于通信電源模塊。
PFC電路
傳統(tǒng)的電力電子設(shè)備（包括電源），會對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生危害，并對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。一方面，它們會產(chǎn)生二次效應(yīng)，當(dāng)電流渡過線路阻抗時，造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變；另一方面，它們還會造成電路故障，損壞變電設(shè)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(shè)備諧波損耗（THD），提高功率因數(shù)（PF），已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點，生產(chǎn)廠家也不斷推出相關(guān)產(chǎn)品。
降低電力電子設(shè)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(shù)已相當(dāng)成熟。三相有源PC技術(shù)復(fù)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(dāng)輸出功率在3kW以下時，一般采用單相輸入；當(dāng)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(shù)，涉及到電路拓?fù)?、控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、單級變換技術(shù)、建模與仿真等技術(shù)。
電路設(shè)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(yīng)用廣泛。解析建模法通過解析表達式描述開關(guān)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(guān)變換器進行穩(wěn)態(tài)和小信號分析，對設(shè)計提供指導(dǎo)。
計算機仿真技術(shù)的應(yīng)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(jié)合；
- 控制策略與實際電路相結(jié)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(biāo)準(zhǔn)化，如MAST語言、Spectre-HDL等；
- 多種仿真工具相結(jié)合，電路仿真、熱仿真、流體仿真、應(yīng)力仿真相結(jié)合，仿真工具包括Saber、Ansys、Cadence等；
通信電源設(shè)計必須考慮電磁兼容性設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，我國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局決定在國內(nèi)"等同"采用。通信行業(yè)頒布的《通信電源設(shè)備電磁兼容性限值及測量方法》對此進行了詳細(xì)的規(guī)定，包括傳導(dǎo)、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(dǎo)信號、浪涌、電快速瞬變脈沖群、電壓跌落和中斷等。
防護技術(shù)
防雷設(shè)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(shè)備產(chǎn)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(chǎn)生直擊雷過電壓的根源，而雷電電磁場則是產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓的根源。對于通信設(shè)備而言，雷電過電壓來源主要包括感應(yīng)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(yīng)采用三級防雷體系。
防潮、防鹽霧和防霉菌設(shè)計稱為三防設(shè)計。在潮濕的海洋大氣中，電子設(shè)備會吸附一層很薄的濕水層（水膜），當(dāng)水膜達到20~30分子層厚時會形成化學(xué)腐蝕的電解質(zhì)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(chǎn)生露點，使印制線間絕緣電阻下降、元器件發(fā)霉，產(chǎn)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(shè)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(xué)處理方法對電子設(shè)備的表面覆蓋一層金屬或非金屬保護膜，使之與周圍介質(zhì)隔離，從而達到防護的目的；在結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shè)計
安全性是電源設(shè)備最重要的指標(biāo)，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(yán)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(shè)計工作，包括防電危險、過熱危險等。商用設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)包括UL、CSA、VDE等，容許泄漏電流在0.5～5mA之間，我國軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5mA。通信電源產(chǎn)品應(yīng)通過中國CCEE安全認(rèn)證和UL安全認(rèn)證。
結(jié)構(gòu)造型
現(xiàn)代機械設(shè)計的概念比較復(fù)雜，在滿足功能的前提下，還要滿足情趣、品味、生產(chǎn)管理、價格等各方面的要求。通信電源在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能方面朝著單面操作，自由出線，模塊化設(shè)計，減低成本和小型化等方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)造型的發(fā)展方向?qū)?yán)格按IEC-297標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)計，與國際行業(yè)接軌，實現(xiàn)不同企業(yè)產(chǎn)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(shè)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(shù)等。電源系統(tǒng)的直流配電采用插箱式結(jié)構(gòu)，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(shù)；風(fēng)冷自然冷兼容性設(shè)計；風(fēng)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(luò)技術(shù)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(zhuǎn)換、停電后的來電預(yù)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(diào)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(nèi)／外置Modem等多種接口。
結(jié)論
電力電子技術(shù)是一項非常重要的基礎(chǔ)支撐科技，現(xiàn)代科技領(lǐng)域的7個關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括能源、環(huán)保、資訊、通信、生命科學(xué)、材料、交通。其中的每一項領(lǐng)域，無一不和電力電子緊密相關(guān)，開關(guān)電源作為一個重要方面，具有美好的發(fā)展前景。
