发展中的通信电源技术

晏文德
　　近年来，伴随着国内电信分营，联通、吉通等新型电信运营商的陆续出现，电信业务独家垄断的情况被逐渐打破，各运营商为了尽快抢占通信制高点，都在紧锣密鼓的开展通信设备的建设，掀起了国内通信基础设施建设的高潮。尤其是近来移动通信的蓬勃发展，铁通的挂牌成立，联通举世瞩目的300亿CDMA世纪大招标，更是给发展中的通信电源注入了勃勃生机，据专家估计，最近几年，通信电源都将保持一个比较稳定的市场，仅直流通信电源每年的市场总量都在35亿-40亿之间。巨大的市场推动，无疑为通信电源各项技术的发展创造了条件。

　　作为通信系统的“心脏”，通信电源在通信局（站）中具有无可比拟的重要地位。它包含的内容非常广泛，不仅包含48V直流组合通信电源系统，而且还包括DC/DC二次模块电源，UPS不间断电源和通信用蓄电池等。其中蓄电池与本文关系不大，而其他几种通信电源的核心基本一致，都是以功率电子为基础，通过稳定的控制环设计，再加上必要的外部监控，最终实现能量的转换和过程的监控。电源技术的发展也主要体现在上述几个环节的发展之上。

　　从目前的发展看，通信电源的技术发展主要集中在以下五个方面：零压零流的“软”开关技术，电源数字化技术，先进的工艺，良好的电磁兼容和高度 智能化。为了获得竞争优势，要求通信电源在以上五个方面都要达到很高的要求。但技术的发展最终都将体现在通信电源的可靠性上。先进的通信电源设备的平均无故障工作时间（MTBF）已可达100000小时以上。当然，上述五个方面的技术发展本身也是相互依赖，共同发展的，不能把它们完全割裂开来。

　　1 软开关（soft-switch）技术的发展与应用

　　近30年来，开关变换技术经过了一个由“硬”至“软”的过程。众所周知，为了提高电源的可靠性，需要尽可能的减少损耗，降低功率管的温升，减少功率管承受的电压应力和电流奕力。但对“硬”开关而言，由于损耗的存在，功率管的温升、电压和电流应力不可能太低，这样不仅整机效率下降，对电源的可靠性带来非常不利的影响。在这种情况下，零压零流ZV-ZCS技术（即“软”开关技术）应运而生。

　　1.1有源功率因数校正（Active power factor corection）“软”开关

　　有源功率因数校正在电路上一般采用Boost拓扑结构，控制策略采用平均电流控制。但存在二极管的反向恢复电流问题以及主动率开关管上的电压应力过大的问题。为降低主功率器件的开关损耗，并消除因升压二极管的反向恢复特性而造成的影响，出现了各种无损吸收电路和ZVT软开关技术。目前PFC“软”开关技术的发展主要集中在以下几种电路形式：

　　*开通关断无损吸收

　　原理简图如1所示。由于电感Ls的作用，可以大大减少升压二极管的反向恢复电流，实际测试表明，反向恢复电流只有原来RC吸收方案的1/3左右；由于开关管T实现了零电流的开通和零电压的关断，大大地减少了主开关器件的开通关断损耗。

　　*关断吸收电路

　　该吸收电路可以实现开关管T的零电压关断，起不到开通吸收的作用，升压二极管仍然存在反向恢复电流问题，主功率器件的开通冲击电流较大。该吸收电路主要用于主功率器件为存在较大关断拖尾电流的IGBT的电路，会比较明显地减少因拖尾电而引起的关断损耗。但对于将MOSFET作为主功率器件的PFC电路，此种吸收电路基本上没有作用。

　　*有源PFC-ZVT技术方案

　　该技术方案通过增加辅助开关管，在一个开关过程中主功率开关管和辅助开关管都能在软开关的条件下完成开通和关断过程，并且升压二极管也是软关断，从而消除了二极管也是软关断，从而消除了二极管的反向恢复特性的影响以及减少了因辅助吸收电路的引入导致整机效率下降的问题。但该电路的主要缺点在于：控制较为复杂，有可能导致可靠性不升反降。

　　1.2DC/DC功率变换“软”开关

　　DC/DC变换部分功率管软开关的实现目前流行的方式有以下两种：

　　*移相全桥PS-ZV-ZCS-PWM

　　电路通过增加谐振电感和谐振电容，实现对开关管的“软”化。目前的技术相对比较成熟，主要用于中大功率等级的DC/DC变换。该电路的缺点是：仍存在桥臂直通问题；实现全负载范围的软开关还比较困难。

　　*双管正激电路+无损吸收

　　由于双正激电路自然在零电流状态下开通，该电路主要实现了开关管的零电压关断，能大大减小功率器件的关断损耗，另外，由于采用无损吸收，使得吸收电路的损耗会有很大降低，从而提高整个DC/DC变换的效果。

　　2.数字化的电源技术

　　电源数字化主要是指闭环控制电路的数字化。由于数字化电源具有硬件电路简单，参数离散性小，损耗减小以及控制精确等一系列的优点，成为是目前业内研究的热点之一，各器件生产厂家纷纷推出适用于控制领域的控制器，从目前发展的情况看，大致分为两类：一是以MCU为核心，通过集成部分专用接口，实现对电源的闭环控制。比较典型的是80C196KC单片机。该芯片是Intel公司的第二代CHMOS型16位单片机，它在与外部设备进行数据交换和内部运算时均可采用16位操作方式，时钟频率可达16MHz以上，其控制IGBT开关的时间精度可达到微秒级。指令系统相当丰富。另外，80C196KC还集成了一个外设事务服务器（Peripheral Transaction Server），大大提高了响应外设中断的速度，增强了A/D转换器的性能（10位/8位）。比较适合于要求实时处理的电源闭环控制系统。还有一种实现电源数字化的方法就是采用数字信号处理器（DSP）。比较典型的就是德州仪器（TI）公司推出的马达控制专用DSP TMS320C（F）240。该DSP采用哈佛总线构架，具有独立的程序与数据总线，DSP一次可同时读取指令和数据。流水线（Pipeline）的预取指推选。片内程序、数字存储器读写，不需要插入任何的等待周期。TMS320F240采用PQFP封装，50ns指令周期，244K字可寻址空间，独特的事件管理模块，可产生12路PWM输出，两个10位A/D转换器，可以同时进行两路转换。所有的这些特点都使得该DSP非常适合用于开关整流器或UPS的闭环控制算法的实现。深圳市中兴通讯股份有限公司自主开发的纯在线ZXUPS就采用了该DSP作为控制核心，除控制UPS输出高质量50HZ纯正弦波外，还实现了对UPS的智能管理，包括控制USP在不同状态下的运行状态切换，故障处理并报警、与上位监控系统通信等工作。

　　目前在开关整流器件中采用DSP进行控制的研究还开展不多，这主要是由于DSP价格还比较高，成熟的控制算法比较难于获得，同时开关整流器的各种专用控制芯片价格非常便宜。但可以肯定，随着DSP价格的不断下调，控制算法研究的不断深入，数字化电源时代就要到来。

　　3.电磁兼容（EMC）技术

　　电磁兼容技术的目的是使产品在一空虚的电磁环境下正常工作。由于通信电源工作在一个非常复杂的电磁环境中，既要做到能够抵抗其他通信设备和自然环境产生的各种干扰，它本身又不要对其他共局（站）的通信设备产生电磁骚扰。这就要求通信电源在开发设计过程中要符合相关的EMC设计标准。目前国内通信电源行业普遍采用的电磁兼容标准是YD/T983-1998。它的主要内容与欧洲标准EN55022等标准内容等效。世界各国尤其是发达国家，对通信电源的电磁兼容要求普遍采取了各种强制措施。我国信息产业部早在1999年就要求通信电源必须满足电磁兼容的要求，但由于当时缺乏必要的权威检测机构，该项工作一直没有真正受到重视。随着信息产业部通信计量中心电磁兼容实验室正式建立，信息产业部要求今后入网的通信电源必须满足电磁兼容的各项要求。这才使得EMC的研究在国内形成热潮。

　　要保证通信电源顺利通过各项EMC测试，可以在以下几方面采取必要的措施。

　　*在产品设计的初始阶段，同时进行电磁兼容性设计。可以从方案选择和结构设计等方面进行考虑。如前文提到的各种“软”开关方案，不仅有利于减少损耗和开关电应力，对于减少各种传导和辐射骚扰也非常有利
　　*重视印制电路板设计。为了控制印制电路板的辐射，应优选多层板。或将信号线和回线紧靠在一起。增加信号的上升/下降时间等。

　　4.开关整流器的工艺发展

　　随着开关整流器的各种电路拓扑日渐成熟，整流器的工艺越来越受到业内学者的重视，良好的工艺性能不仅能够减少整流器所产生的各种干扰，而且对于缩小整流器体积，保证整流器的良好散热，增加整流器的可维护性方面都有重要作用。为了改善机内电磁环境和可生产性，一些国内外电源厂家已采用无连线或少连线工艺技术，即机内印制板之间的连接采用接插件连接方式，变压器或电感等磁性元件的引线采用直接焊接方式，从而使得机内大电流变换率或高电压变换率的连线路径最短，从而大大地简化了机内的电磁环境。同时，由于板于板之间无外在连线，因而，安装起来方便快捷，并且因安装导致的故障率基本上可降至零。

　　5.智能化的监控技术

　　在通信电源的监控领域内，以先进的、集中的、自动化的维护管理方式来管理通信电源及通信设备是必然趋势，集中监控的目的是对分布的电源及其他一些设备进行遥控、遥测、遥信，实时监视设备运行状态，记录和处理有关数据，及时侦测故障，从而提高供电系统的可靠性。

　　电源监控系统一般为三级监控结构：整流器机内监控、前端电源集中监控、远程监控。电源维护人员既可以通过前端集中监控在现场对电源进行操作，也可以通过远程监控实现对电源的控制。

　　5.1前端电源集中监控

　　许多通信电源完成前端监控是通过单片机系统实现的，由于单片机本身可利用资源有限，使得一些非常重要的监控功能不能实现，如：不能在现场进行历史数据和告警的存储；不能实现复杂的蓄电池管理等。中兴公司开发研制了型号为ZXLCSU的通用监控系统，在国内同行中率先采用了Intel386EX作为前端信中监控系统CPU，彻底摆脱了资源限制的困扰，使监控功能更为强大、完美。ZXLCSU电源通用监控系统具有以下独特的性能：

　　*32位嵌入式微处理器Intel386EX，时钟可达33MHZ，保证了数据采集的实时笥。充足的资源空间为系统 优化、监控系统功能的后续增强提供了保障。

　　*可实现强大的通讯功能。最小系统本身具有四个RS232、RS485或RS422通讯端口，可以满足通信电源的基本需求。通过加插通讯扩展板，将可扩展多个标准的RS232口或RS485口，可现场接入多个智能设备，实现环境监控的功能。前端监控单元的软件具有远程下载及配置功能，系统的升级和维护将更为方便。

　　*完善的故障定位功能。首先设备本身具有自诊断功能，可以将故障定位在板级。同时具备事件顺序记录及事件追忆功能，系统运行时会定时将一些系统信息保存下来，一旦系统出现故障，便可以根据所存信息判断出故障的具体原因。

　　*系统可实现完善的蓄电池管理功能

　　5.2远程监控专家系统

　　随着通信电源的可靠性越来越高，电源维护往往对远程监控提出了更高的要求，一项变革性的发展就是由过去单纯的电源衬时监控转向了对电源故障的预防，而专家分析系统就是实现故障预防的有力武器。专家系统通过对电源设备的各组成部分如整流器、直流部分、电池部分以及外部环境因素如交流 电网、环境温度等的原始数据的分析，根据分析的结果对用户的运行维护工作提出建议和指导意见，使故障消灭在萌牙状态。

　　中兴通讯最新推出的3.0版通信电源监控系统，集多年的电源开发经验和对电源运行的充分理解，实现了强大的专家分析功能。根据专家系统提供的分析结果，运维入员可以方便的对故障进行预防。为电源维护带来极大的方便，例如对交流部分的分析就下内容：

　　*三相电压的平衡性分析：通过计算一段时期内三相电压相互之间的方差，将结果提示给用户。
　　*阀值合理性分析：通过计算一段时期内各相（线）电压的平均值（不包括停电时的数据），判断其与正常值偏差的大小，是否长期偏高或偏低，可提示用户对交流告警阀值进行调整，同时提示用户由于电网电压长期偏低会影响整流器的工作寿命。

　　*交流停电时间之和的总计及停电次数统计，油机供电时间之和的总计，通过对油机供电时间的统计可知油机的用油量，对交流 停电时间的统计和停电次数的统计可知停电是否频繁等。

摘自《通信市场》2001.7