通信电源发展现状及趋势

作者：   发布日期：2016-07-06 23:21   信息来源：http://www.nhups.com/

    中心议题： 通信电源系统简介 开关电源技术的现状与发展趋势 通信电源设计中的最新技术和注意事项 解决方案： 使用软开关技术减少开关损耗，提高效率，为进一步提高变换频率提供依据，并减少电磁干扰 通过无源功率因数校正和有源功率因数校正降低电力电子设备谐波损耗、提高功率因数 在电路设计时使用计算机仿真技术是通信电源电路设计更高效 重视EMC、电路保护设计、重视结构造型和系统可维护性，发展智能监控功能
通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分，其设计目标是安全、可靠、高效、稳定、不间断地向通信设备提供能源。通信电源必须具备智能集散监控、无人值守和电池自动管理等功能，从而满足网络时代的需求。

开关电源的发展历程
开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守。

通信电源系统简介
通信电源系统按照容量可以划分为： 中小容量电源系统：输出容量在300A以下，适用于模块交换局、移动基站、接入网等； 中大容量电源系统：输出容量为300~600A，适用于中小交换局、移动基站、卫星通信站； 大容量电源系统：输出容量在600A以上，适用于大交换局、汇接局、长途局和关口局等。　
根据用户实际需求，电源系统必须可以平滑扩容，通信电源系统可以做到20~6000A的平滑扩容。通信电源系统由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成。集散式监控系统可将交流配电柜、直流配电柜和整流柜放在不同楼层，实现分散供电，进行实时监控。交流配电柜主要完成市电输入或油机输入切换和交流输出分配功能，要求采取必要的防护措施，交流配电柜一般具有三级防雷措施、单面操作维护、实时状态显示和告警等功能；直流配电柜主要完成直流输出路数分配、电池接入和负载边接等功能，一般要求可自由出线，可出面操作维护，可实现柜内并机和柜外并机，具有状态显示和告警功能，能检测每一路熔断器的通断状态；整流柜的主要功能是将输入交流电转换输出为满足通信要求的直流电源，它一般由多台整流模块并联组成，共同分担负载，并能良好地均分负载，单模块故障不应影响系统工作。电源模块采用低压差自入均流技术，使模块间的电流不均衡度小于3％，并具有输出短路故障自动恢复功能。

监控模块主要实现交流配电柜、直流配电柜和模块监控，此外还要进行电池自动管理功能。

通信电源系统作为通信网络的能源供给者，除了必须具备可靠、稳定等基础特性外，其电磁兼容设计、防护设计、可操作性和可维护性也是非常关键的因素。

开关电源技术的现状与发展趋势
开关电源的基本电路可分为主电路、控制电路、监控电路和辅助保护电路等。主电路由电网滤波、整流桥、PFC电路、DC/DC电路、输出滤波电路组成；控制电路主要包括PWM脉冲信号或SPWN脉冲信号；监控电路一般包括CPU电路、通信接口、显示电路等；辅助保护电路一般包括控制电路等供电辅助电源、输入过／欠压保护、输出过／欠压保护、过流保护、防雷保护和短路保护等。

软开关技术
软开关技术的最大优点在于减少开关损耗，提高效率，为进一步提高变换频率提供依据，还能大大减少电磁干扰。该技术常见的实现方法包括：缓冲电路、谐振环路和谐振开关等，其基本思路是利用电感或电容等储能元件，在开关管开通和关断时将电压／电流转移或谐振到零，从而实现零电压或零电流开关。

软开关技术已有成熟产品在应用，如零电压零电流（ZVZCS）全桥移相变换器已应用于通信模块电源，效率高达93％；边缘谐振全桥变换电路也已应用于通信电源模块。

PFC电路
传统的电力电子设备（包括电源），会对周围的电子设备产生危害，并对电网产生谐波污染。一方面，它们会产生二次效应，当电流渡过线路阻抗时，造成谐波电压降，使电网电压产生畸变；另一方面，它们还会造成电路故障，损坏变电设备，如变压器过热、LC振荡、高次谐波电流渡过电容，诱使其过热爆炸。为此，降低电力电子设备谐波损耗（THD），提高功率因数（PF），已成为学术界研究的热点，生产厂家也不断推出相关产品。

降低电力电子设备谐波损耗、提高功率因数的方法主要包括无源功率因数校正和有源功率因数校正。单相APFC技术已相当成熟。三相有源PC技术复杂，成本较高，现基本还处于研究推广阶段。三相PFC与单相PFC的基点相同，通过电流跟踪电压变化，提高功率因数，减小谐波损耗。

在通信电源中，当输出功率在3kW以下时，一般采用单相输入；当功率在3kW以上时，一般采用三相输入。目前的研究重点集中在三相PFC技术，涉及到电路拓扑、控制技术、软开关技术、单级变换技术、建模与仿真等技术。

电路设计
一般情况下，变换器的建模方法分为数字仿真法和解析建模法两大类。数字仿真法包括分析软件PSPICE、SABER，它不需要新建电路模型，只需建立电路仿真模型或等效电路即可，分析方法简单、直观，应用广泛。解析建模法通过解析表达式描述开关变换器特性，建模直观明了，物理概念清楚，可利用线性电路和古典控制理论对开关变换器进行稳态和小信号分析，对设计提供指导。

计算机仿真技术的应用越来越广泛，主要包括以下几个发展方向： 数字电路与模拟电路相结合； 控制策略与实际电路相结合，如DSP、PWM、SPWM控制策略，空间矢量控制策略等； 建模方法向硬件描述语言过渡，逐步实现标准化，如MAST语言、Spectre-HDL等； 多种仿真工具相结合，电路仿真、热仿真、流体仿真、应力仿真相结合，仿真工具包括Saber、Ansys、Cadence等； 电磁兼容性设计（EMC）
通信电源设计必须考虑电磁兼容性设计，减少对外部环境的干扰，消除外部干扰，为此国际电工委员会（IEC）相继发布了IEC61000系列电磁兼容标准，我国国家质量技术监督局决定在国内"等同"采用。通信行业颁布的《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》对此进行了详细的规定，包括传导、辐射、谐波电流、电压起伏、闪烁和抗扰性等要求，其中抗扰性又包括辐射电磁场、射频连续传导信号、浪涌、电快速瞬变脉冲群、电压跌落和中断等。

防护技术
防雷设计是保证通信电源系统可靠运行的必不可少的环节，雷电对信息设备产生危害的根源在于雷电电磁脉冲，这种雷电电磁脉冲包括雷电流和雷电电磁场。雷电流是产生直击雷过电压的根源，而雷电电磁场则是产生感应雷过电压的根源。对于通信设备而言，雷电过电压来源主要包括感应过电压、雷电侵入波和反击过电压。在一般情况下，通信电源必须采取系统防护、概率防护和多级防护的防雷原则，通信电源系统应采用三级防雷体系。

防潮、防盐雾和防霉菌设计称为三防设计。在潮湿的海洋大气中，电子设备会吸附一层很薄的湿水层（水膜），当水膜达到20~30分子层厚时会形成化学腐蚀的电解质膜，它对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。另外，温度突变会在空气中产生露点，使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉，产生铜绿、引脚腐蚀断裂等情况。湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件，霉菌以电子设备中的有机物为养料，吸附水分并分泌有机酸，破坏绝缘，引发短路，加速金属腐蚀。为此，工程上通常选用耐蚀材料，通过镀、涂或化学处理方法对电子设备的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，使之与周围介质隔离，从而达到防护的目的；在结构上采用密封或半密封形式隔绝外部环境；对印制板及组件表面涂覆专用三防清漆，避免导线之间的电晕、击穿，提高电源的可靠性；变压器必须进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路。

安全设计
安全性是电源设备最重要的指标，其不安全隐患不但不能完成正常的供电要求，而且还有可能发生严重的事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为此，必须加强安全性设计工作，包括防电危险、过热危险等。商用设备的安全标准包括UL、CSA、VDE等，容许泄漏电流在0.5～5mA之间，我国军用标准 GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。通信电源产品应通过中国CCEE安全认证和UL安全认证。

结构造型
现代机械设计的概念比较复杂，在满足功能的前提下，还要满足情趣、品味、生产管理、价格等各方面的要求。通信电源在产品结构性能方面朝着单面操作，自由出线，模块化设计，减低成本和小型化等方向发展。结构造型的发展方向将严格按IEC-297标准尺寸设计，与国际行业接轨，实现不同企业产品的可替换件，满足安全规范、 EMC测试要求等。

操作与维护
在系统日趋小型化的今天，操作和维护的方便性显得非常重要，它要求系统在设计之初就必须综合考虑这一因素，如全正面操作维护、机柜靠墙安装、在线维护和热插拔技术等。电源系统的直流配电采用插箱式结构，满足用户的差异需求，安装、维护方便；整流模块采用无损伤热插拔技术；风冷自然冷兼容性设计；风扇更换时间少于30s，防尘网更换时间少于20s，方便维护。

智能化监控
现代通信电源系统基本上都采用集中分散式监控系统，对系统中状态量和控制量进行监控，通过网络技术将信息送入监控模块。同时，监控模块还可对电池进行全自动管理，包括电池在线管理、均浮充转换、停电后的来电预限流控制和电池放电测试等。监控模块还可对整流模块电压进行调节和无级限流控制，检测整流模块状态，并根据系统运行的异常情况进行保护和告警。通过监控模块上网，可以在Internet上传输控制数据，使维护人员通过Internet进行数据查询等维护工作。具有RS485／422、RS232、内／外置Modem等多种接口。

结论
电力电子技术是一项非常重要的基础支撑科技，现代科技领域的7个关键环节包括能源、环保、资讯、通信、生命科学、材料、交通。其中的每一项领域，无一不和电力电子紧密相关，开关电源作为一个重要方面，具有美好的发展前景。

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