高頻開關電源節能技術的探索

　　 摘要：電源是任何電子設備都必不可少的組成部分，隨著時代的進步，人們對電子電源的要求越來越向高頻化和節能化發展。開關電源被稱為高效節能型的電源，已經成為了穩壓電源的主流產品，高頻開關電源的節能問題更是日益引起人們的重視，本文將對高頻開關電源的節能技術方面進行分析。
　　關鍵詞：高頻開關電源節能技術提升效率
　　中圖分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)06(b)-0000-00
　　
　　高頻開關電源是保證后級設備進行正常工作的基礎保障，同時也是后級設備主要供電設備。現在幾乎人人有手機，家家有電腦，因而就出現了高頻的電費，這種情況下，電費的支出也必然十分的龐大，如何盡量的減少能耗是當下重要考慮的內容，經過分析，高頻的開關電源占用了相當大的能源損耗，根據實際的負載，通過對系統進行有效的控制來實現對冗余模塊的開關于閉合，從而實現對系統的冗余模塊實現智能化的控制，提升電源在工作轉換的過程中的利用效率，這樣不僅可以將高頻開關電源的使用壽命延長，還可以有效的節省電能的不必要損耗。
　　
　　1 開關電源的發展背景和變化趨勢
　　隨著科學技術的發展、生活水平的提高，人類在生產生活中，對大自然所造成的污染與破壞也愈加嚴重，加上自然資源的逐漸消耗，人們已經開始意識到了環保節能的重要性。比如說在電源方面，電源是所有的電子設備都必不可少的組成部分，而最初的線性電源，體積較大、需要輸入電壓范圍較大、耗電量較大，已經逐漸不符合現在以及未來的電子設備的構造理念，因此，開關電源這一控制電源的新元件被創造了出來。早在上世紀六十年代，開關電源便已問世，但是當時的開關電源基本上全是由分離的元件構成的，然而此時的開關電源依舊存在的如開關頻率低、效率不高、并且線路比較復雜。當七十年代的時候，脈寬調制器集成電路的研制使得開關電源直接集成化，并且雙極型的器件向MOS型的器件的變化讓電力系統得以高頻化。到了上世紀八十年代的時候，隨著電子化技術的興起，功率變換器的性能也得到了提升，使開關電源的高頻化技術得到了極大的提高。
　　
　　2 高頻開關電源的設計配置和技術的特性以及應用的特點
　　2.1 開關電源的構型
　　開關電源的典型結構如圖所示，其工作原理是：市電進入電源首先經整流和濾波轉為高壓直流電， 然后通過開關電路和高頻開關變壓器轉為高頻率低壓脈沖，再經過整流和濾波電路，最終輸出低電壓的直流電源。同時在輸出部分有一個電路反饋給控制電路，通過控制PWM占空比以達到輸出電壓穩定。（如圖1所示）
　　 2.2 技術方面的性能
　　 高頻開關電源系統的工作效率高峰范圍應該在40%~80%。與此同時，在對其研究中發現，電源的效率隨著電路的負載率的提高也會不斷的增加。
　　2.3 開關電源設計時的配置原則
　　通常而言，在采購開關電源的制作元件時，一般會著重考慮擴容等方面的要素。開關電源的容量一般會大于通信設備當前的實際負載，如果沒有對冗余模塊進行智能化的控制，那樣會使得電源的工作效率有所降低。
　　2.4 實際的應用方面
　　基站的開關電源在大多數的情況之下是在浮充的狀態中工作的，整體系統的輸出量占到總量的1/3左右，而模塊需要在負載率達到40%之上才會達到最佳的能量轉換狀態。
　　2.5 節能方面的創新
　　在節能方面一方面需要提升高頻開關電源的轉換的工作效率，從而使得通信的運營成本降低，另一方面需要使得基站的高頻開關電源的設備的使用壽命適當的延長，從而可以有效的降低維修者的勞動強度，使得企業能夠擁有更高的經濟價值，再者從節能的角度，還可以使得投資的成本得以降低，但是效益卻提升。
　　
　　3 節能技術的相關原理分析探討
　　3.1 整流模塊的功率組及特性。
　　高頻開關電源整流模塊的功率組成大致包含空載損耗、帶載損耗、輸出功率等，主要的特性包括：一定工作模式下空載損耗是固定不變的；帶載損耗隨負載增加而增加，但工作效率隨之大幅度提高。節能應用方面：通過控制模塊工作模式(開/關機)，減小空載損耗并提高模塊能源轉換效率，從而實現節能降耗。
　　3.2 節能控制技術原理
　　⑴ 在現有的整流模塊結構形式不變化的基礎上，只更改電源監控系統的軟件，使得整個通信電源系統能夠工作在一個整流的最佳效率點，關閉暫時不需要工作的整流模塊。同時確保如果負載有變化，通信電源系統仍可穩定供電。
　　⑵ 根據實際負載，監控系統自動對冗余整流模塊進行軟關斷，使之處于休眠、備用狀態，提高電源轉換工作效率。
　　⑶ 對系統負載、電池充電電流的變化能夠實現冗余模塊的智能控制(開啟／休眠智能選擇)，提高系統能源轉換效率。
　　⑷ 對系統整流模塊采用自動輪換工作方式，輪換原則為“先開后關”，即先投入原來休眠模塊工作，后“關閉”原來工作的模塊，避免部分模塊長期工作，部整流模塊均衡使用，提高設備運行壽命。
　　 3.3 整流模塊軟關斷節能技術分析
　　⑴上圖2所示的上半部分為整流模塊遠程關斷示意圖，它只關閉模塊輔助控制電源的直流部分，而交流部分損耗仍然存在，實驗測試結果表明，該方法只可以把整流模塊的自身電能損耗降低到50％。
　　⑵ 上圖3所示的下半部分為整流模塊通過軟件升級的監控模塊實施軟關斷示意圖3，它可以實現同時關閉模塊輔助電源的交流部分和直流部分，實驗測試結果表明，該方法可以把整流模塊的自身電能損耗降低到16％，節約34％。因此整流模塊軟關斷技術應用也是節約電能的關鍵措施之一。
　　
　　
　　4 開關電源節能方案測量方法
　　4.1 整流模塊節能前、后能耗測量
　　模擬基站通信電源系統后備電池浮充狀態時的實際負載量配置，采用一臺l50A(三個50A整流模塊)配置，進行T24d、時的節能測試，試驗中采用純電阻恒定負載，軟關斷其中兩個整流模塊使之處于休眠狀態。（如圖4所示）
　　
　　4.2 整流模塊節能前、后效率曲線
　　 經過研究可知，開關電源節能升級之前，負載率低，工作效率也低；當開關電源節能升級后，由于部分整流模塊處于“休眠”狀態，其負載率提高，系統工作效率也提高，降低了電能損耗，達到節能的目的。（如圖5所示）
　　
　　5 總論
　　通信高頻開關電源智能控制節能技術的應用，解決了高頻開關電源在實際使用中效率低、浪費能源的現狀，平均約提升10％的工作效率點，降低企業運營成本，提高了企業的競爭力。在履行企業節能減排的社會責任，節約大量的電費開支，為企業和社會創造巨大經濟效益。
　　
　　參考文獻
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