通信系統(tǒng)中開關(guān)電源及其應(yīng)用與發(fā)展

張文威

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

為保障通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，必須關(guān)注開關(guān)電源這一核心系統(tǒng)，同時加強(qiáng)其運(yùn)行維護(hù)與管理工作。以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度面對存在或潛在的開關(guān)電源故障問題，科學(xué)運(yùn)維以排除故障，避免故障困難帶來的威脅與損失。通信系統(tǒng)不斷發(fā)展與完善，開關(guān)電源系統(tǒng)水平也逐步提高，目前高頻開關(guān)電源系統(tǒng)呈現(xiàn)出了典型的智能化趨勢，但智能化及其運(yùn)用的過程中也出現(xiàn)了一些明顯的問題，需要在智能化發(fā)展的同時結(jié)合科學(xué)方法不斷優(yōu)化。視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用在開關(guān)電源系統(tǒng)中，其采用控制端的控制邏輯實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控系統(tǒng)的控制，每個分布式節(jié)點(diǎn)均能夠?qū)崿F(xiàn)對不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。而這種分布式的監(jiān)控模式能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的監(jiān)控，監(jiān)控參數(shù)包括氣壓情況和機(jī)房空調(diào)狀況等，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)處理之后上傳到控制中心進(jìn)行進(jìn)一步分析。結(jié)合自動化管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電源的智能監(jiān)控，明確不同站點(diǎn)的運(yùn)行情況和潛在故障，以便發(fā)現(xiàn)問題的時候能夠快速響應(yīng)，及時解決，保障開關(guān)電源和整個通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。

1 通信系統(tǒng)中的開關(guān)電源

在實(shí)際通信系統(tǒng)應(yīng)用中主要有3大類常用通信電源，包括線性電源、相控電源以及開關(guān)電源。作為典型開關(guān)電源，電源功率調(diào)整管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)電源的工作頻率一般較高，常見頻率超過40 kHz，面對如此高頻人們往往不能通過聽覺來察覺，因此其具有典型無噪音的優(yōu)勢。除此之外，還具有小巧便捷的優(yōu)勢，保證其能以小體積實(shí)現(xiàn)和其他通信設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，另外具有超過90%的工作效率，節(jié)能效果顯著。開關(guān)電源系統(tǒng)涵蓋直流配電部分、監(jiān)控單元、交流配電部分以及整流部分，其工作狀態(tài)交流配電模塊會被輸入三相交流電，交流配電模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)交流電源的分配，經(jīng)過整流之后實(shí)現(xiàn)了交流向直流的轉(zhuǎn)換，然后直流電進(jìn)入到直流配電模塊，最終實(shí)現(xiàn)在其他負(fù)載中的分配[4]。

2 無線通信設(shè)備中應(yīng)用開關(guān)電源的基本原理

開關(guān)電源在無線通信設(shè)備中的主要作用是電壓變壓處理，其中DC/DC變換器開關(guān)電源是最常用的一種元器件。利用該元器件同時結(jié)合無線通信設(shè)備系統(tǒng)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源系統(tǒng)的電壓升降調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對電壓振動波形的有效控制與調(diào)整，這樣無線通信系統(tǒng)中的無線通信設(shè)備能夠高質(zhì)量運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)功能。開關(guān)電源應(yīng)用基本原理如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源應(yīng)用基本原理圖

以DC/DC變換器為例進(jìn)行分析，在無線通信設(shè)備中應(yīng)用的基本原理是電壓變換機(jī)制，通過科學(xué)的電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋控制。隔離變壓器和非隔離變壓器是變壓器兩大常見類型，隔離變壓器主要是實(shí)現(xiàn)了直流輸入和輸出的有效分開，非隔離變壓器主要是實(shí)現(xiàn)了電壓升降過程中輸入和輸出的連接。以下就隔離模式變壓電路和非隔離模式變壓電路的工作原理進(jìn)行解析。

升壓電路過程借助開關(guān)閉合線圈實(shí)現(xiàn)對電路的斷開處理，在負(fù)載中的直接表現(xiàn)是負(fù)載有效釋放，然后電路中的電流會持續(xù)在線圈中流通，結(jié)合開關(guān)閉合實(shí)現(xiàn)反向電壓處理操作，輸入電壓得到有效整合，電壓也實(shí)現(xiàn)了低壓向高壓的科學(xué)轉(zhuǎn)化[5]。

降壓電路過程功能的實(shí)現(xiàn)主要是借助了輸入存儲電壓和輸出存儲電壓在開關(guān)閉合過程中存在的壓力差，引入快速斷開的方法有效實(shí)現(xiàn)接地二極管輸出端壓力的有效釋放。在實(shí)際電壓調(diào)整的過程中，為保障其運(yùn)行的可靠穩(wěn)定性，需要科學(xué)比對基準(zhǔn)電壓和直流輸出，這種方式能夠發(fā)現(xiàn)電壓波動誤差值，根據(jù)誤差值調(diào)整實(shí)施措施。開關(guān)元件的控制需要統(tǒng)計分析開關(guān)時間的比例，基于此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，開關(guān)元件的精準(zhǔn)控制對電壓穩(wěn)定和平穩(wěn)輸出具有重要意義。另外在開關(guān)元件運(yùn)行中還可能存在噪聲問題，尤其是高頻情況下可能會對電源內(nèi)部的原有噪聲進(jìn)一步產(chǎn)生不良影響，因此必須在開關(guān)電源應(yīng)用中配備相應(yīng)的外圍電路，以此進(jìn)行濾波規(guī)避噪聲影響。同時還可以增加功能保護(hù)電路解決這一問題，常見的包括防沖擊電流保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路等[6-8]。

3 開關(guān)電源的分類及常用開關(guān)電源

3.1 開關(guān)電源的兩大類

作為開關(guān)電源典型兩大類，AC/DC和DC/DC在及時方面具有一定差別。和AC/DC相比DC/DC技術(shù)發(fā)展較早并且逐漸成熟，成為了目前國際上共識的通用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)之一。AC/DC技術(shù)起步較晚且由于自身技術(shù)特點(diǎn)，模塊化進(jìn)程是未來發(fā)展趨勢，但這一進(jìn)程困難重重。

DC/DC變化在直流電路中具有重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)固定電壓向直流電壓的轉(zhuǎn)變。而DC/DC斬波器的工作模式也主要包括頻率調(diào)試和脈寬調(diào)制兩種，脈寬調(diào)制主要調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通時間Ton，開關(guān)周期Ts保持不變，而頻率調(diào)制主要調(diào)節(jié)Ts，Ton保持不變。常見斬波電路包括Buck電路、Boost電路、Cuk電路以及Buck-Boost電路[9]。功率流向是AC/DC變換的核心所在，整流過程實(shí)際是功率從電源到負(fù)載的整個過程，有源逆變正好相反，是從負(fù)載到電源的過程。在AC/DC變換器中，其接收到的是交流電，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需要較大的整流濾波器支持，進(jìn)一步增加了AC/DC變換器的體積。由于工作象限的差異，AC/DC變換器中包括第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限的差異。以相數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行分類，又有單相、三相以及多相的區(qū)分，此外按照整流方式的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，AC/DC變換器又可以分為全波整流變換器和半波整流變換器。

3.2 常用的開關(guān)電源技術(shù)

并聯(lián)技術(shù)作為供電體中的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以為保障整流模塊的順利運(yùn)行提供支持。模塊長時間滿載運(yùn)行問題的解決由均流技術(shù)提供了可能，通過該技術(shù)能夠保證能量在不同模塊之間的科學(xué)分配，開關(guān)電源的故障發(fā)生概率會因此而減少，電源的使用壽命也將由此延長。軟開關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展促進(jìn)了DC/DC變換器的應(yīng)用發(fā)展，性能等方面均得到有效提升，尤其是變換效率和變換增益方面效果顯著，開關(guān)損耗也會顯著降低，電源內(nèi)部的整體工作環(huán)境也會因軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用得到有效優(yōu)化。

開關(guān)式穩(wěn)壓器對開關(guān)電源系統(tǒng)具有重要作用，其具有高效性和繼承性特征，保證了超過90%的工作效率。利用芯片技術(shù)和高科技技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對保護(hù)電路、控制器以及功率輸出器的集成，對小體積具有重要意義。單片開關(guān)電源和開關(guān)電源穩(wěn)壓器相比其集成度更高，將更多的必要電路集成在芯片內(nèi)部。隨著技術(shù)發(fā)展和革新，無工頻變壓器式開關(guān)電源被研發(fā)，和前面提到的兩種開關(guān)電源相比能耗更低，和普通開關(guān)電源相比能耗降低兩倍左右[10]。

4 開關(guān)電源的發(fā)展要求

4.1 穩(wěn)定性、可靠性要不斷提高

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及智能技術(shù)不斷發(fā)展，技術(shù)的革新也提高了設(shè)備的靈敏度。當(dāng)前的通信設(shè)備對電壓起伏、噪聲電壓以及順便電壓的感知十分靈敏，如果在開關(guān)電源系統(tǒng)中存在這些問題，可能會對整個通信系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)難性的不良影響。開關(guān)電源問題和故障對系統(tǒng)造成的影響不容忽視，會波及到整個通信系統(tǒng)，嚴(yán)重的情況下可能波及通信樞紐，導(dǎo)致整個通信系統(tǒng)崩潰。

4.2 向自動化、小型化不斷發(fā)展

在開關(guān)電源運(yùn)行中必須進(jìn)行及時、有效以及科學(xué)的運(yùn)維，通過實(shí)施監(jiān)測、故障監(jiān)測與處理來有效規(guī)避潛在威脅可能造成的重大損失。同時在開關(guān)電源運(yùn)行中越來越要求小型化和集成化，以便應(yīng)用更小體積與集成化的設(shè)備和元件，同時免人工維護(hù)和全封閉也是未來重要發(fā)展方向。

4.3 具有高頻化、高效率的特點(diǎn)

電力系統(tǒng)維護(hù)涉及的領(lǐng)域和范圍較廣，功耗也十分巨大，為有效降低能耗，建議提高供電頻率。極大提高供電頻率的同時，有效降低元件的質(zhì)量和體積，材料成本也因此降低。

5 新形勢下無線通信設(shè)備中開關(guān)電源的發(fā)展方向探析

5.1 數(shù)字化方向發(fā)展

目前，各個領(lǐng)域均開始引入智能技術(shù)進(jìn)入智能化時代，大數(shù)據(jù)技術(shù)也開始應(yīng)用在通信領(lǐng)域和電力領(lǐng)域。這些新技術(shù)的應(yīng)用暴露出傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中存在的一些問題和不足。國家無線通信領(lǐng)域?yàn)檫M(jìn)一步發(fā)展電路體系和技術(shù)，在設(shè)備建設(shè)中引入了數(shù)字化技術(shù)。開關(guān)電源技術(shù)中數(shù)字化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用促進(jìn)了其進(jìn)一步升級，未來發(fā)展中必將構(gòu)建智能化模型實(shí)現(xiàn)對其智能化控制。

5.2 高效化方向發(fā)展

無線通信系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致目前更加注重質(zhì)量和性能，為此需要進(jìn)一步提升開關(guān)電源的質(zhì)量和水平，加強(qiáng)對開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率與體積方面的研究，科學(xué)統(tǒng)籌分析開關(guān)電源體系、元器件能耗以及轉(zhuǎn)換效率等，然后基于此科學(xué)匹配開關(guān)電源，這也是未來開關(guān)電源發(fā)展中亟待突破的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

無線通信系統(tǒng)和無線通信設(shè)備的效能需要進(jìn)一步提升，開關(guān)電源技術(shù)的革新與突破是關(guān)鍵。軟開關(guān)技術(shù)取得極大突破，關(guān)于軟開關(guān)技術(shù)的更多衍生技術(shù)不斷開發(fā)提出，這些技術(shù)的研發(fā)進(jìn)一步提升了變換器的轉(zhuǎn)換效能。我國也開始引入國外新技術(shù)，如功率因數(shù)技術(shù)等，此外無源技術(shù)和PFC技術(shù)也在效能適用提升方面具有重要意義。

6 結(jié) 論

通信系統(tǒng)要想發(fā)展，通信行業(yè)要想穩(wěn)步推進(jìn)，有效解決通信電源系統(tǒng)中存在的問題是關(guān)鍵。未來，通信系統(tǒng)開關(guān)電源集成化、小型化、高效化以及高頻化是必然的發(fā)展方向，高效的開關(guān)電源系統(tǒng)才能支撐通信系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。