聂荣琪 孙栋

　　通信高频开关整流器应是各类开关电源中设计最为复杂、要求最为严格的一种。由它们组成的高频开关电源系统作为基础供电设备，通常被认为是整个通信系统的“心脏“。一旦其发生故障，则整个通信系统工作将会受到严重威胁，会导致大面积通信瘫痪，造成重大的经济损失。因此其现状及发展倍受人们关注。

一、现状分析
——国内自九五年以后，通信用高频开关电源系统全面取代了原有相控电源系统，其技术和市场得到了高速发展。再加上移动通信的迅速增长，其发展更是势不可挡，成为各类开关电源最为活跃的品种之一。其巨大的市场和高额的利润吸引了众多厂家相互竞争，逐步形成了产品多品种、多样化的“百家争鸣”的局面。据了解，现国内较大的生产厂家已有十几家，各有其鲜明的特点。但其总的特点可归纳为：高效率、高频化、模块化、智能化和“标准”化。
——效率是电源的最重要的指标之一。高效率是每个厂家竞相追逐和大力宣传的重点之一。高效率的好处很多，如更低的运行成本、更低的工作温度及由此带来的更高的可靠性和更长的寿命、更低的空调要求等。现在通信用高频开关整流器整机效率高达90％以上已很普通，不带有源功率因数校正电路的最高可达93～94％，并还有进一步提高的可能。
——高频化是目前开关电源技术发展的主要方向之一，也是高频开关整流器发展的重要趋势之一。提高开关频率可缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度，还可改善开关电源的动态性能，减轻滤波电路压力，并可进一步降低成本。但随着开关频率的提高，功率器件的开关损耗将成比例地增加。所以在开关频率较高时，需采取非常有效的“软化”措施尽可能降低器件的开关损耗。目前比较流行的方法是采用有源软开关技术，如谐振技术、准谐振（或多谐振）技术、ZCSP WM（或ZVS-PWM）技术及ZCTPWM（或ZVT-PWM）技术等。这些技术优点是效果很好，可将开关频率提至很高，一般在1OO～4OOkHz。但其缺点也很明显，主要是器件的电流、电压应力较大，技术本身有待完善，多一辅助开关后控制较复杂等。另一种较实用的方法是采用无源无耗软开关技术，即采用无源器件（L、C、D等）构成独特的（专利的）电路网络，对功率开关实现无损耗缓冲。其特点是全部采用无损耗的无源器件，不需额外的控制，电路简单，可靠性高，效果也不错。目前有高频开关整流器采用独特的无源无耗软开关技术将开关频率提高到200kHz（最大功率输出达2800瓦），取得了很好的效果。
——模块化设计是高频开关整流器的重要特色之一。在过去的十几年中，随着轻巧、紧凄的高频开关整流器模块的出现，直流供电系统的模块式结构变得非常容易实现，可方便地组成各种不同功率等级的电源系统，从几十安培一直到几千安培或更大。这种模块式结构除了具有很强的适应性外，还有一些很重要的优点如：系统初始投资少、扩容非常方便、安装运输方便、冗余方式工作额外投入很少、维护快捷方便等。目前绝大多数通信电源厂家均采用模块化设计，并已形成系列化，其单体整流器模块电流多数为5A，10A，30A，50A，1OOA，200A等。而在通讯领域包括移动通讯等大量使用的整流器模块为30A、50A、100A三个品种，可组成150A、30M、600A、1OO0A等各类功率等级的直流电源系统，主要供电子大型电话局、移动通讯基站等。
——智能化是现代通信系统对其基础供电电源高标准要求的必然结果，是新型单片机技术在开关电源领域应用的完美体现。为满足通信系统各种场合、各种条件的用电需要，保证电源系统的最佳工作状态，需对电源系统进行有效的监视、全面的控制及完善的告警及保护；为达到系统安装、维护的简便性，需使高频开关整流器具有如带电插拔（HOTPLUG，IN）、参数自动设置及更正等“傻瓜型”功能；同时为减少电源系统的故障检修时间，减小长期维护的人力和费用，并提高系统的可靠性，需对电源系统进行远距离“遥控、遥测、遥信”（“三遥”），方便地实施系统故障检测、故障诊断和故障隔离。所有这些要求都是要建立在单片机技术的基础上而得以全面满足，并最终达到一种高度智能化的目的。目前多数通信电源厂家已成功地将单片机技术应用于高频开关整流器模块及监控模块之中，并通过RS232、RS422等标准通讯口及MODEM等与微型计算机连接起来，实现“三遥”功能，并最终通过公用电话网或通信专网将不同区域内甚至是世界范围的电源系统连接起来，实施大面积集中监控，满足了现代通讯系统的高标准、高可靠的要求，达到了智能化的目的。
——所谓“标准”化是指开关电源要满足或必须满足越来越多、越来越严的各种国内及国际的标准的要求。目前高频开关整流器产品在设计时需满足的标准，除自身规范要求外，主要有电磁兼容标准和安全标准两种。为改善供电电网质量，同时也提高开关电源本身适应环境的能力，国际上有关组织及国内相关部门都积极制定了各种电磁兼容标准，预计在不久的将来将对相关产品强制执行。各电源厂家都已经或正在为自己的产品满足这些标准的要求做准备，以实现产品的“绿色化”。同时为使开关电源产品安全性能更高，避免对使用人、物及环境造成安全事故，杜绝各种安全隐患，国外、国内都制定了相应安全标准，实施了各种安全认证，如欧洲有“CE”标志认证，中国有“长城”标志认证等。“标准”化是产品质量改善及国际化发展趋势的需要。目前在高频开关整流器产品范围内国外设计的产品“标准”化工作要好于国向自行设计的产品，这主要与国内“标准”化工作基础较差、标准意识不强、检测手段不完善等有关。但可以看到，随着国内生活环境的极大改善，国人安全意识的提高，市场竞争的日趋激烈等，国内有关部门及各生产厂家都越来越重视产品的“标准”化设计工作，以期明显改善人们的生存环境，同时提高产品的国际竞争力。

二、近期发展的一些思考
——随着现代通信业的飞速发展，做为其基础供电的高频开关整流器及其电源系统的发展近几年也取得了举世瞩目的成就。不论是技术的创新、市场的开拓或功能的完善，都达到了较好的地步，全面及时地满足了当前通信业的高标准要求。目前我国通信交换机设备每年增加2000万线；并继续保持稳定地发展，各专门、农话、传输系统等也增长迅速。这些都需要大量的基础供电设备，所以在未来几年内高频开关整流器及其电源系统仍将保持良好的发展势头。但对于每个电源厂家来说，随着用户要求的不断提高，对手之间竞争更加激烈，EMC与安全标准等要求更加严格，欲稳步占领市场并在激烈竞争中生存就必须不断进行设计改进、技术创新、完善功能、提高系统可靠性、努力降低成本、节约原材料、重复利用资源并尽量减少对环境的不良影响等。有人以“又是一轮奋发时”来描述当前的状况，很是确切。

2.1 高频开关整流器模块
——目前通信用高频开关整流器模块从输出功率角度考虑，可大致分为三种：大功率模块、中功率模块和小功率模块。下面就三种类型的模块的实际使用和发展谈几点看法。
——大功率模块：以48V／10OA输出模块为代表。目前多采用三相平衡无中线交流输入，配以必要的无源功率固数校正技术，功率因数可达0.94左右。DC／DC变换器采用半桥或全桥变换电路，利用标准的PWM工作方式，并将开关频率保持在较低的水平（1O0kHz以内），整机效率可达92％以上，技术比较成熟，工作稳定可靠。但由于其输入电流不为正弦波，功率因数较低，谐波电流较大，对电网的电磁干扰严重。面对正在实施的EMC标准的严格要求，大功率模块需要做适当改进工作。目前国内外都正在积极研制三相有源功率因数校正技术（PFC），如低频式三相PFC电路、三相单开关BOOST PFC电路、三相六开关PFC电路等，代表了当今的发展趋势，但困难很大。虽已提出了多种方案，其中不乏很有研发潜力的方案，但均是理论分析和实验结果较多，做为商品应用很少。三相有源PFC虽然困难很大，但单相有源PFC实现起来则相对容易得多。所以将单相有源PFC电路应用于大功率模块中来满足日益严格的EMC标准的要求，是一很现实的解决办法，并且还将具有非常明显的优势。现已有56V／100A（5.6KW）输出的单相输入带有源功率因数校正的通信用高频开关整流器模块，满载时功率国数大于0.99，效率达91％以上。在一标准的19英寸机架内可装入20个这样的模块，单机架最大输出电流可达2OOOA，并已开始服务于通信领域，取得了很好的效果。
——中功率模块：以48V／50A输出模块为代表。目前多采用单相交流输入，有源Boost PFC电路加DC／DC变换器的电路形式。输入电流为正弦波，功率因数在0.99以上，能全面符合EMC标准的要求。但也有用三相交流输入，无源PFC加DC／DC变换器的产品，在电路成本和效率方面占有一定优势，但很难满足EMC标准中输入谐波电流的要求。中功率模块是目前应用最广、发展最快、功能最全的通信高频开关整流器模块品种之一，大量应用于目前市场巨大的移动通信领域。电源开关变换技术发展迅速，其中DC／DC变换器部分更是各种新技术应用的“战场”，从单端正激电路、双正激电路到半桥电路、全桥电路，从无源软开关技术到各种有源软开关技术，从100 kHz的工作频率至400kHz以上的工作频率，功率变换技术和功率电子技术的新进展在这里都得到了充分的发挥。这些发展的最终目标都是朝着高性能、低成本、小体积的方向迈进，努力提高其市场竞争能力。目前通信电源领域发生的价格“大战”，影响最大的就是中功率模块电源。所以成本的高低已成为目前的首要矛盾。要降低成本须从产品设计，如简化电路（尽量采用单端正激电路、双正激电路），提高工作频率等方面下功夫，并合理选择和利用元器件，努力降低生产销售等环节的成本，不断推出性／价比优异的新品种等。
——小功率模块：以48V／10A输出模块为代表。尽管目前其市场占有率不是很大，但随着移动通讯、专门、农话及传输系统等逐步向通讯密集型和基站小型化等方向发展，其市场需求会日益增大，预计在不久的将来，将会成为各种通信系统应用的主导产品，发展前景看好。小功率模块属于成本“敏感”型产品，欲全面满足通讯系统及环境等的高标准要求，叉要保证很低的成本，则在研制开始就要考虑采用独特的电路形式，运用各种新技术，尽可能提高开关频率，以求在保持高性能的基础上，从根本上明显降低成本。目前小功率模块在电路上基本采用单相有源PFC加DC／DC变换器的两级电路形式，能够完全满足各种要求，但成本与输出功率的比率相对较高，难以适应将来大面积推广的要求。目前国内外正积极研制一种单级高功率因数开关电路，即开关电源只由一级开关主电路构成。该电路兼有功率因数校正和DC／DC变换器两种功能，在满足输出稳压的基础上，功率因数可达0.9以上，而其成本比普通单级开关变换器电路只增加5％，这非常迎合小功率模块目前的处境，单从市场角度看就具有很高的开发价值。但由于单级高功率因数开关电路需要同时完成功率因数校正和输出电压恒定的功能，控制较为复杂，储能电容及开关器件等的电应力较高，同时在效率等指标方面难以达标，离实用化还有一定距离。

2.2 机架电源系统
——随着高频开关整流器模块技术和性能的不断发展和完善，由它们组成的机架电源系统的性能也需要同步地发展和完善，尤其是在系统功能和系统可靠性两个方面。这与用户具体使用息息相关。
——系统功能。系统功能是开关整流器模块性能的外在表现。目前机架电源系统除其主体——多个开关整流器模块外，还包含一监控模块，它起到管理电源系统本身、备用蓄电池及与外界接口等多种作用。另外机架电源系统还包括交直流配电部分，防雷模块等。所以一个机架电源系统功能包含很多方面，如参数设置功能、均流功能、均浮充转换功能、低压断路功能、单体电池监测功能、“三遥”功能以及防雷功能等等。这些功能在大多数厂家的产品中均已很好地解决，但为了满足用户不断增长的需求，如安装维护方便，提高系统故障检修速度，减少长期维护费用等，需在系统中进一步完善如带电插拨、参数自动设置、单体电池监测功能、“三遥”功能等，以充分发挥开关电源系统在更多方面的优势。
——系统可靠性。随着通信系统数字信息流量的高速增长，对其供电电源的系统级可靠性的要求越来越高。针对这种要求，机架电源系统需采取一些创新的改进方法，以切实提高系统可靠性。
——a.分布式供电：
——近年来有一明显的趋势就是在设计功率系统时，将电话交换设备配置成分布式供电结构（DP）而取代集中供电方式（CO），这得益于阀控式密封铅酸蓄电池的实用化。
——传统的集中供电方式结构是在一个供电机房内有通信开关电源、蓄电池、交流开关和各种备用供电设备等。直流电通过汇流排传输到通信机房内的通信架中。而分布式供电则是一定数量的较小功率的分布供电模块（DPM）（包括开关整流器模块和蓄电池等）放在每一个通信架一端，给它们直接供电。而交流电则通过转换开关供电给每一个分布式机架，这就是分布式供电方式。用分布式供电方式替代集中供电方式有以下明显优势：
——（1）消除了CO方式中直流汇流排“单点失效”的故障隐患，大大提高了可靠性。
——（2）在机架内更新设备时造成整个设施供电中断的可能性大大降低。
——因此系统可靠性有很明显地提高。另外分布式供电结构还有其它优势如初期投资少、节能、维护方便等。
——b.双备份直流供电：
——在分布式供电系统中，可以来用两个DPM分别通过二极管对同一个通信架供电。这种方式在每一个DPM中开关整流器模块和蓄电池互有备份，使直流供电部分的可靠性更强。
——c.备份交流电源：
——另外一种提高整个系统可靠性方法是采用单独的交流电源给系统中的每一个DPM供电，而不是同一交流电源给两个DPM同时供电，这样消除了单一交流供电方式的“单点失效”隐患。
——通过以上措施及其它一些措施如增加系统抗雷击和瞬时过电压能力以及提高各部件的EMC特性等，能大大提高直流供电系统的有效MTBF（如达到几千年）。这是现代通讯系统所需要的。

　　聂荣琪，亚澳通讯电原有限公司总工程师。1968年毕业于北京理工大学，1968年到1997年从事微波器件和应用技术研究工作。1988年到1991年从事电力电子器件和应用技术研究。92年到99年从事通信产品的开发和研究。专长于通信电源技术。
　　孙栋，亚澳通讯电源有限公司电源部主任，工程师。1970年生，1992年毕业于西安交通大学电子工程系，曾先后两次去澳大利亚学习高频开关电源技术，多次参加国内各种技术交流活动。主要从事各种功率通信用高频开关电源设计工作.