1、用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司1第一部分 通信电源系统基本原理一、通信电源综述1、概述通信电源系专指对通信主机直接供电的电源。对通信电源的基本要求是安全、可靠、不间断和低杂音。通信主机设备可概括分为交流供电的通信设备和直流供电的通信设备，因此通信电源也有交流不间断供电和直流不间断供电两大系统，两大系统的不间断供电，是靠蓄电池储备的能源来保证的。程控交换、光通信、微波通信、移动通信设备均属直流供电的通信设备，而卫星地球站设备则属于交流供电的通信设备。目前直流供电的通信设备占大部分。通信电源系统的这两类电源又可划分为三级：第一级保证能源提供；第二级保证不间断供电；第三级为主机提供多电压多
2、品种的电源。2、通信整流器的主要性能要求在通信电源系统两大类中由于整流器处于不同的级上整流器的要求也不同。这里主要对第二级直流不间断电源设备中的整流模块性能要求作一介绍。2.1 直流输出及调节范围整流器的作用是将交流转换成直流对电池及并在一起的负载供电。其直流输出电压主要应符合电池浮充、均充、初充的要求。2.2 静态稳压精度稳压精度是指输入交流电压和负载电流扰动时，在浮充和均充电压范围内，输出电压偏差的百分数。整流器的稳压精度要求也是针对电池的要求来的，因为稳压精度低，无异于浮充电压设置值的不准确。2.3 整流器输出限流和电池充电限流整流器输出限流和电池充电限流是两个独立的限流功能，整流器的输
3、出限流是对整流器的保护，而电池充电限流是对电池的保护。2.4 输出杂音电压整流器的输出电压中除了直流成分外，还存在一定分量的交流成分，称之为杂音电压噪音电压。它们对通话质量或电子电路的工作有一定的影响。衡量这些杂音电压的影响常采用衡重杂音、峰峰杂音、宽频杂音和离散杂音来表示。2.5 功率限制整流器功率限制（恒功率输出特性） ，有利于以较小设计功率满足实际使用需要。对48V 系统，以最大限流值作为额定电流，以 57V 作为额定电压，以二者的乘积作为额定功率值比较经济合理。用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司22.6 动态响应输出电压受外界扰动后再回到其稳定值，会有一个超调量和调整恢复时间。由
4、于其接有蓄电池，这一指标对实际使用不会产生大的影响。主要衡量系统的稳定性，即是否会产生震荡。2.7 EMC 要求EMC 是电磁兼容性的缩写，其目的是要在复杂的电磁环境中，保证电气设备互相兼容，正常工作。它可分为骚扰和抗扰，其中骚扰又可以分为传导发射和辐射发射。各国在这方面都有严格的标准。2.8 软启动整流器的输出电压如果没有软启动性能，则开机后瞬间陡增的电压对低内阻的电池要产生大的电流冲击，这既对电池不利，又影响到输入电流出现冲击。因此开关整流器都采取了软起电路，一般软起时间在 38 秒。2.9 并联运行系统容量大时，要采用多模块并联运行，这样设计灵活、扩容方便，但要注意均流问题和选择性过电压
5、问题。2.10 效率无论功率器件，电路拓扑和吸收电路的改进及软开关技术的采用，目的都是为了减少损耗，提高效率。这样即节能，又提高整流器的可靠性。效率的提高始终是整流器设计者追求的目标。2.11 功率因数功率因数包括位移因数和畸变因数，对于高频开关整流器而言，功率因数主要受制于畸变因数。为提高功率因数目前采用无源功率因数校正和有源功率因数校正，可分别使功率因数提高到 0.94 和 0.99 以上。二、 关整流器的基本原理2.1 开关电源概论开关电源的发展经历了线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。开关电源具有功率转换效率高、稳定范围宽、功率密度比大、重量轻等特点，目前，在市场上产品基本上为相控
6、电源和开关电源，而且开关电源将取代相控电源成为新一代通信电源的主体。开关电源向着高频小型化、高效率、高可靠性发展。2.1.1 开关电源的基本分类广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源。开关电源主要组成部分是 DC-DC 变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。常见的开关电源分类方法有下列几种：用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司31按激励方式分有它激式和自激式；2按调制方式分有 PWM、PFM(谐振式)；3按开关管连接方式划分，有单端反激、双端反激、单端正激、双端正激、推挽式
7、、半桥、全桥等；4从输入输出之间是否有变压器隔离，可以分成隔离型与非隔离型两类；每一类中又有六种拓扑：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic 和 Zeta。5按控制信号的隔离方法，则可分为直接式、光电耦合式、变压器式、磁放大式等。可见 DC-DC 基本电路数不胜数，多数电路都有典型应用价值，也有的无实用价值。2.1.2 开关电源主要元件1开关无论哪一种 DC-DC 变换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感和电容。电子开关只是快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有力求快速，使开关快速地渡过线性放大区，状态转换引起地损耗才小。目前使用的电子开关多是二极
8、管、双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及地有 IGBT 管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件，例如 SITH（静电感应晶闸管）和 MCT（场控制晶体闸流管） 。值得指出，主回路也不是绝对不出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的 mV 电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。2电感电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论损耗为零。常为储能元件，也常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上。用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流又有“很大的惯性” 。换
9、句话说，由于“磁通连续性” ，电感上的电流必须是连续的，否则将回产生很的的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，也有不允许其进入饱和的。在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区” ，此时电感值为一常数，不随端电压和流过电流而变化。但是，在开关电源中电感，有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的。其二是分布式杂散电容，随线制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成了电容的特性了。如果将杂
10、散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路，可以明白地看出在某一角频率后地电容性。在分析电感在线路中工作或绘波形图时，不妨考虑下面几个特点：（1）在电感 L 中有电流 I 流过时，储存有 1/2LI2 的能量；（2）当电感 L 两端的电压 V 为不变时，依 V=Ldi/dt 公式可知，忽略内阻 R 时，电感电流变化率，di/dt=V/L；表明，电感电流线性增加；用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司4（3）正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感时变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。（4）就象
11、电容有充、放电流一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流的积分成正比，称为安秒值；电感上的电流与电压的积分成正比，称为伏秒值。只要电感器电压变化，其电流斜率 di/dt 也变化；正向电压，使电流从零线性上升；反向电压，电流线性下降，根据能量守恒原理在电感器伏秒值面积相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。3电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的作用，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是吸收纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线，造成一个等效电阻。这种等效电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波
12、抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。4控制芯片常用的有 UC3525、UC3825、UC3875、UC3842、UC3846、UC3854 等。2.2 基本的 PWM 变换器主回路拓扑2.2.1 双端正激变换器当开关管 FET1、FET2 导通时，二极管 D3 导通，能量由原方传向副方，电感 L1 的电流上升。当开关管 FET1、FET2 关断时，二极管 D1、D2 导通续流，将励磁能量传回电源，同时 D4 导通续流，电感 L1 的电流下降。通过改变占空
13、比和变压器匝比可以改变输出电压的大小。图 2-1 双端正激变换器电路图2.2.2 半桥变换器当开关管 Tr1 导通时，二极管 D7 导通，能量由原方传向副方，电感 L 的电流上升。当开关管 Tr1 关断时，二极管 D7、D8 导通续流，电感 L1 的电流下降。当开关管 Tr2 导通时，二极管 D8 导通，能量由原方传向副方，电感 L 的电流上升。当开关管 Tr2 关断时，二极管用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司5D7、D8 导通续流，电感 L1 的电流下降。通过改变占空比和变压器匝比可以改变输出电压的大小。图 2-2 半桥变换器电路图2.2.3 全桥变换器当开关管 Tr1、Tr2 导通时
14、，副方相对的两个二极管导通，能量由原方传向副方，电感Lf 的电流上升。当开关管 Tr1、Tr2 关断时，四个二极管导通续流，电感 L1 的电流下降。当开关管 Tr3、Tr4 导通时，副方相对的另两个二极管导通，能量由原方传向副方，电感Lf 的电流上升。当开关管 Tr3、Tr4 关断时，副方四个二极管导通续流，电感 Lf 的电流下降。通过改变占空比和变压器匝比可以改变输出电压的大小。图 2-3 全桥变换器电路图2.3 开关电源设计时的常见问题2.3.1 干扰与绝缘开关电源不能产生超标的电磁干扰，同时它自身也应有较强的抗干扰能力，使从电网传来的尖峰波或空间传来的辐射干扰都不影响它的工作。要达此目的
15、主要手段是加输入滤用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司6波器、输出滤波器或加屏蔽。1采用无源滤波器无源滤波器由电感线圈和电容组成，串在输入/输出电路中。优点是成本低、可靠性高、简单易行。缺点是体积稍大，不能设计成实时调节。2采用有源滤波器有源滤波器由 Boost 和 Buck 变换器充当，接在变换器的前面，形成双变换器串接的局面。前置的变换器的任务是使输入电流波形正弦波变化。为此，前置变换器的基准电压因是正弦形，按正弦变化的幅值来调制脉宽。反馈信号有电压和电流。如此控制，对千瓦级功率变换器是适宜的，对小功率线路显得过于复杂。近年来推行把正弦化的环节与 DC-DC 结合在一起的办法。例如，利
16、用无电容器方式；利用过饱和电抗的方式；利用复位绕组方式等。大多数有一定功率输出的开关电源均要求输入输出隔离。如无隔离技术措施，抗干扰性能稍差，使用者人身不够安全，给维修者更带来不便。国家标准要求输入输出之间隔离电压为 1 分钟 1500V 交流高压检验。2.3.2 效率与功率因数开关电源的基本要求是高稳定和实现小型化。开关电源的特点是轻、小、高效。开关电源的外形可以短、薄。最近正研究折叠式绕组（Fold wind）变压器，目的均是提高功率密度，适合特定的要求等等。除了小功率或便携式电器的开关电源由电池供直流电压外，许多开关电源由工频市电 供电。方式是经整流、滤波电路供给直流电压。一般滤波电路由
17、单电容构成，由此引出开关电源的功率因数低的问题。原因是只在交流电压瞬时值高于直流电压时，工频电网才对滤波电容充电。所以充电时间短暂，充电电流是尖峰状，远远偏离正弦状。因此，开关电源输入端功率因数只有 0.6 左右，影响了电能利用效率，使电网电压波畸变，产生很多谐波分量。解决办法为采用有源或无源功率因数校正技术。2.3.3 智能化与高可靠性在智能化方面要求每个模块能向系统提供所要的参数（如电流、电压） ，工作状态（正常、故障、均流状态等）信息，并且模块能够接受系统的遥控指令，近端有 RS-232 接口和远传 MODEM 端口，通过近端 RS-232 接口可在线调节设置系统参数以备出厂、开机调试时
18、使用，远传 MODEM 口通过电话线路与上位机联接互通信息。因此要应用 CPU 之间尚需通信。此种开关电源系统的设计除上述智能化要求外，还必须考虑可靠性。例如交、直配电与蓄电池供电配套，快速更换单元模块（一般小于 3 分钟）在线热插拔大电流操作，允许模块 24 小时短路，当雷击、干扰感应时在输入端有树千甚至上万伏高压的可能性等等。在交流入口处一般设置快速、大容量、可靠性高的尖峰吸收装置，使真正到模块输入处残存电压在 1 千伏以内，这样在雷击时系统仍能正常工作。整机绝缘电阻高，交流电路对机壳，交流电路对直流电路应能承受 2000V、50Hz 的交流电压一分钟，直流输出对机壳应能承受用户培训教材烟
19、台东方电子玉麟电气有限公司7500V 直流电压一分钟，漏电流不大于 10mA。2.4 通信开关电源模块的组成开关电源的基本结构可分为主电路、控制电路、监控电路以及辅助保护电路等。主电路有电网滤波、整流桥、PFC 电路、DC-DC 电路、输出滤波电路组成；控制电路主要有 PWM脉冲信号或 SPWM 脉冲信号；监控电路一般有 CPU 电路、通信接口、显示电路等；辅助保护电路一般有给控制电路等供电的辅助电源、输入过欠压保护、输出过欠压保护、过流保护、防雷保护、短路保护等。实例：DMA02-48/50 高频开关电源模块图 2-4 DMA02-48/50 开关整流器电路原理图DMA02-48/50 电源
20、模块外形如下图所示：三相交流输入经 EMI 滤波电路后，进入整流电路，输入整流电路设有限制浪涌电流电路和功率因数校正电路，使得整流器的输入具有较小的开机浪涌电流和较高的功率因数。整流后的直流电压正常情况下约 500V，供给后级逆变电路。电源模块后面板电源模块前面板用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司8逆变电路将高压直流变换为经过脉宽调制的高频方波，通过高频变压器隔离变压后输出低压直流方波，然后经整流滤波后输出稳定的直流电压（43VDC-60VDC） 。PWM 控制电路是电源的 PWM 振荡产生及闭环反馈调节部分,另外各种保护告警功能也要通过它来实现。信号检测及控制电路对三相交流电及直流电源
21、输出进行缺相检测和电网电压检测，对模块内温度进行检测等。将检测的数据进行处理后进行相应的控制或提供给 PWM 控制电路。并具有完善的四遥功能（遥调、遥控、遥测、遥信）接口。辅助电源提供整流器内部控制电路所需的各种电源。三、 关电源监控模块的一般原理电源监控模块是为实现通信电源系统监控目标设计的，它除了要实现将交流配电柜、直流配电柜和所有模块监控起来外，还需完成电池自动管理功能，包括停电后来电的预限流功能，二次下电功能，以及网络化功能。3.1 开关电源监控模块的主要功能开关电源监控模块具有如下主要功能：1. 信号采集功能开关电源监控模块应能采集直流输出电压、负载及其主要分路电流、电池充放电电流、
22、交流输入电压、交流电流、交流频率等模拟量，应能采集熔断器、断路器、接触器的开关状态等开关量。2. 参数设置功能开关电源监控模块应能设置直流输出电压等的告警上下限、负载电流等的量程。3. 历史事件记录开关电源监控模块应能记录故障历史。4. 通信功能开关电源监控模块应有远程及本地通信功能、故障信息的自动上报功能。它还应能实现与各整流模块微处理器的数据通信。5. 控制功能开关电源监控模块应能控制整流模块的开关机、浮充、均充、测试转换、并机均流等。6. 蓄电池管理功能电池充电的自动控制、充放电电流的统计。3.2 开关电源监控模块的工作原理单片机或微计算机对各模拟量进行 A/D 转换，经标度换算而得模拟
23、量采样结果。若其超上下限，则发出相应告警，若其由超上下限变为正常，则撤除相应告警，并作历史记录。单片机或微计算机对各开关量进行采样，判断其变化，发出或撤除相应告警，并作历史记录。用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司9单片机或微计算机从与整流模块相连的通信口获取整流模块得运行信息，判断其变化，发出或撤除相应告警，并作历史记录。单片机或微计算机运行蓄电池管理程序，实现蓄电池充电的自动控制，充放电电流及容量的统计。单片机或微计算机运行与上一级计算机的通信程序，若线路已连接，则向上一级计算机传送相应信息。实例： DF0240C 电源监控单元(1)机箱DF0240C 监控单元采用 19 英寸标准机箱
24、，总线结构。各功能插件从机箱后面插入母线板。机箱内共有 10 个插槽，其中第一个为备用，第二个为主处理器插件占用，其余八个插槽可根据系统配置情况扩充其它功能插件。(2)功能插件DF0240C 监控单元与 DUM201-48/50 通信电源系统配套时，含五种插件，插件的类型和数量如下：主处理器插件 一块串行口扩展插件 一块遥测插件 一块遥信插件 一块遥控遥调插件 一块图 3-1 监控单元面板图 3-2 监控单元后视图四、 通信电源系统用户培训教材烟台东方电子玉麟电气有限公司104.1 概述通信电源系统按照容量来分可以分为：一是中小容量电源系统（输出容量 300A 以下） ，适用于模块交换局、移动
25、基站、接入网等；二是中大容量电源系统（输出容量 300A-600A） ，适用于中小交换局、移动基站、卫星通信站等；三是大容量电源系统（输出容量 600A 以上），适用交换局、汇接局、长途局和关口局等。根据用户需求，可以平滑扩容。 通信电源系统由交流配电、整流柜和直流配电及监控模块组成，集散式监控系统可以满足将交流配电柜、直流配电柜及整流柜放在不同的楼层实现分散供电而能实时有效地监控的需求。对于交流配电柜，主要完成市电输入或油机输入的切换及交流输出的分配功能，一般还要求对所有带电体采取防护措施，必要的三级防雷措施，单面操作维护及本机实时显示工作状态和保护告警等功能。直流配电柜则主要完成对直流输出
26、路数的分配，电池接入与负载连接等功能，还要求配电线的自由出线，正面操作维护，可实现柜内并机和柜外并机，本机状态显示和保护告警，对配电的所有熔断器输出，应能对每一路熔断器的通断状态进行检测。整流柜的主要功能是将输入交流电通过转换，输出满足通信要求的直流，一般整流柜由许多整流模块并联组成，共同分担负载，并能良好均分负载，而且其中一个模块有故障还不能影响系统正常工作。4.2 工程设计中应考虑的问题下面简要介绍一下工程设计中需要考虑的问题4.2.1 系统容量考虑系统容量的设计从三个方面考虑，通信设备所需功率、蓄电池充电电流和冗余量。作为恒功率负载的通信电源设备一旦开通，其耗能变化不大，其功率大小可从设
27、备本身如交换机的耗电曲线或数据得出，且将功率转化为电流。蓄电池的主要作用是整流器停止工作后直接给通信设备供电，以保证通信不中断。整流器恢复工作后要尽快给蓄电池充电，以保证蓄电池的电能储存为最佳状态。考虑冗余的原因是保证系统工作的可靠性，通信电源最大的特点就是系统高可靠，常叫作直流不停电系统。从理论上讲，故障率为零的电源设备是没有的，必须加以备份，备份数的多少，没有统一的要求，常规的 N+1 公式被广泛采用。海拔高于m 时，电源要降容使用，模块数要相对增多。系统容量计算为，通信设备耗电功率加上蓄电池充电电流之和，然后计算出电源模块数，再加上冗余数，即得出系统的电源模块总数。4.2.2 蓄电池容量考虑在大多数情况下考虑蓄电池的选择，就是考虑蓄电池供电的保证时间和负载电流的大小。根据所需负载电流值和蓄电池供电时间查找相关蓄电池厂家的产品手册，从而确定蓄电池的容量和组数。4.2.3 交流供电考虑
