聶榮琪 孫棟
通信高頻開關整流器應是各類開關電源中設計最為復雜、要求最為嚴格的一種。由它們組成的高頻開關電源系統作為基礎供電設備，通常被認為是整個通信系統的“心臟“。一旦其發生故障，則整個通信系統工作將會受到嚴重威脅，會導致大面積通信癱瘓，造成重大的經濟損失。因此其現狀及發展倍受人們關注。
一、現狀分析
——國內自九五年以后，通信用高頻開關電源系統全面取代了原有相控電源系統，其技術和市場得到了高速發展。再加上移動通信的迅速增長，其發展更是勢不可擋，成為各類開關電源最為活躍的品種之一。其巨大的市場和高額的利潤吸引了眾多廠家相互競爭，逐步形成了產品多品種、多樣化的“百家爭鳴”的局面。據了解，現國內較大的生產廠家已有十幾家，各有其鮮明的特點。但其總的特點可歸納為：高效率、高頻化、模塊化、智能化和“標準”化。
——效率是電源的最重要的指標之一。高效率是每個廠家競相追逐和大力宣傳的重點之一。高效率的好處很多，如更低的運行成本、更低的工作溫度及由此帶來的更高的可靠性和更長的壽命、更低的空調要求等。現在通信用高頻開關整流器整機效率高達90％以上已很普通，不帶有源功率因數校正電路的最高可達93～94％，并還有進一步提高的可能。
——高頻化是目前開關電源技術發展的主要方向之一，也是高頻開關整流器發展的重要趨勢之一。提高開關頻率可縮小電源體積、減輕重量、提高功率密度，還可改善開關電源的動態性能，減輕濾波電路壓力，并可進一步降低成本。但隨著開關頻率的提高，功率器件的開關損耗將成比例地增加。所以在開關頻率較高時，需采取非常有效的“軟化”措施盡可能降低器件的開關損耗。目前比較流行的方法是采用有源軟開關技術，如諧振技術、準諧振（或多諧振）技術、ZCSP WM（或ZVS-PWM）技術及ZCTPWM（或ZVT-PWM）技術等。這些技術優點是效果很好，可將開關頻率提至很高，一般在1OO～4OOkHz。但其缺點也很明顯，主要是器件的電流、電壓應力較大，技術本身有待完善，多一輔助開關后控制較復雜等。另一種較實用的方法是采用無源無耗軟開關技術，即采用無源器件（L、C、D等）構成獨特的（專利的）電路網絡，對功率開關實現無損耗緩沖。其特點是全部采用無損耗的無源器件，不需額外的控制，電路簡單，可靠性高，效果也不錯。目前有高頻開關整流器采用獨特的無源無耗軟開關技術將開關頻率提高到200kHz（最大功率輸出達2800瓦），取得了很好的效果。
——模塊化設計是高頻開關整流器的重要特色之一。在過去的十幾年中，隨著輕巧、緊凄的高頻開關整流器模塊的出現，直流供電系統的模塊式結構變得非常容易實現，可方便地組成各種不同功率等級的電源系統，從幾十安培一直到幾千安培或更大。這種模塊式結構除了具有很強的適應性外，還有一些很重要的優點如：系統初始投資少、擴容非常方便、安裝運輸方便、冗余方式工作額外投入很少、維護快捷方便等。目前絕大多數通信電源廠家均采用模塊化設計，并已形成系列化，其單體整流器模塊電流多數為5A，10A，30A，50A，1OOA，200A等。而在通訊領域包括移動通訊等大量使用的整流器模塊為30A、50A、100A三個品種，可組成150A、30M、600A、1OO0A等各類功率等級的直流電源系統，主要供電子大型電話局、移動通訊基站等。
——智能化是現代通信系統對其基礎供電電源高標準要求的必然結果，是新型單片機技術在開關電源領域應用的完美體現。為滿足通信系統各種場合、各種條件的用電需要，保證電源系統的最佳工作狀態，需對電源系統進行有效的監視、全面的控制及完善的告警及保護；為達到系統安裝、維護的簡便性，需使高頻開關整流器具有如帶電插拔（HOTPLUG，IN）、參數自動設置及更正等“傻瓜型”功能；同時為減少電源系統的故障檢修時間，減小長期維護的人力和費用，并提高系統的可靠性，需對電源系統進行遠距離“遙控、遙測、遙信”（“三遙”），方便地實施系統故障檢測、故障診斷和故障隔離。所有這些要求都是要建立在單片機技術的基礎上而得以全面滿足，并最終達到一種高度智能化的目的。目前多數通信電源廠家已成功地將單片機技術應用于高頻開關整流器模塊及監控模塊之中，并通過RS232、RS422等標準通訊口及MODEM等與微型計算機連接起來，實現“三遙”功能，并最終通過公用電話網或通信專網將不同區域內甚至是世界范圍的電源系統連接起來，實施大面積集中監控，滿足了現代通訊系統的高標準、高可靠的要求，達到了智能化的目的。
——所謂“標準”化是指開關電源要滿足或必須滿足越來越多、越來越嚴的各種國內及國際的標準的要求。目前高頻開關整流器產品在設計時需滿足的標準，除自身規范要求外，主要有電磁兼容標準和安全標準兩種。為改善供電電網質量，同時也提高開關電源本身適應環境的能力，國際上有關組織及國內相關部門都積極制定了各種電磁兼容標準，預計在不久的將來將對相關產品強制執行。各電源廠家都已經或正在為自己的產品滿足這些標準的要求做準備，以實現產品的“綠色化”。同時為使開關電源產品安全性能更高，避免對使用人、物及環境造成安全事故，杜絕各種安全隱患，國外、國內都制定了相應安全標準，實施了各種安全認證，如歐洲有“CE”標志認證，中國有“長城”標志認證等。“標準”化是產品質量改善及國際化發展趨勢的需要。目前在高頻開關整流器產品范圍內國外設計的產品“標準”化工作要好于國向自行設計的產品，這主要與國內“標準”化工作基礎較差、標準意識不強、檢測手段不完善等有關。但可以看到，隨著國內生活環境的極大改善，國人安全意識的提高，市場競爭的日趨激烈等，國內有關部門及各生產廠家都越來越重視產品的“標準”化設計工作，以期明顯改善人們的生存環境，同時提高產品的國際競爭力。
二、近期發展的一些思考
——隨著現代通信業的飛速發展，做為其基礎供電的高頻開關整流器及其電源系統的發展近幾年也取得了舉世矚目的成就。不論是技術的創新、市場的開拓或功能的完善，都達到了較好的地步，全面及時地滿足了當前通信業的高標準要求。目前我國通信交換機設備每年增加2000萬線；并繼續保持穩定地發展，各專門、農話、傳輸系統等也增長迅速。這些都需要大量的基礎供電設備，所以在未來幾年內高頻開關整流器及其電源系統仍將保持良好的發展勢頭。但對于每個電源廠家來說，隨著用戶要求的不斷提高，對手之間競爭更加激烈，EMC與安全標準等要求更加嚴格，欲穩步占領市場并在激烈競爭中生存就必須不斷進行設計改進、技術創新、完善功能、提高系統可靠性、努力降低成本、節約原材料、重復利用資源并盡量減少對環境的不良影響等。有人以“又是一輪奮發時”來描述當前的狀況，很是確切。
2.1 高頻開關整流器模塊
——目前通信用高頻開關整流器模塊從輸出功率角度考慮，可大致分為三種：大功率模塊、中功率模塊和小功率模塊。下面就三種類型的模塊的實際使用和發展談幾點看法。
——大功率模塊：以48V／10OA輸出模塊為代表。目前多采用三相平衡無中線交流輸入，配以必要的無源功率固數校正技術，功率因數可達0.94左右。DC／DC變換器采用半橋或全橋變換電路，利用標準的PWM工作方式，并將開關頻率保持在較低的水平（1O0kHz以內），整機效率可達92％以上，技術比較成熟，工作穩定可靠。但由于其輸入電流不為正弦波，功率因數較低，諧波電流較大，對電網的電磁干擾嚴重。面對正在實施的EMC標準的嚴格要求，大功率模塊需要做適當改進工作。目前國內外都正在積極研制三相有源功率因數校正技術（PFC），如低頻式三相PFC電路、三相單開關BOOST PFC電路、三相六開關PFC電路等，代表了當今的發展趨勢，但困難很大。雖已提出了多種方案，其中不乏很有研發潛力的方案，但均是理論分析和實驗結果較多，做為商品應用很少。三相有源PFC雖然困難很大，但單相有源PFC實現起來則相對容易得多。所以將單相有源PFC電路應用于大功率模塊中來滿足日益嚴格的EMC標準的要求，是一很現實的解決辦法，并且還將具有非常明顯的優勢。現已有56V／100A（5.6KW）輸出的單相輸入帶有源功率因數校正的通信用高頻開關整流器模塊，滿載時功率國數大于0.99，效率達91％以上。在一標準的19英寸機架內可裝入20個這樣的模塊，單機架最大輸出電流可達2OOOA，并已開始服務于通信領域，取得了很好的效果。
——中功率模塊：以48V／50A輸出模塊為代表。目前多采用單相交流輸入，有源Boost PFC電路加DC／DC變換器的電路形式。輸入電流為正弦波，功率因數在0.99以上，能全面符合EMC標準的要求。但也有用三相交流輸入，無源PFC加DC／DC變換器的產品，在電路成本和效率方面占有一定優勢，但很難滿足EMC標準中輸入諧波電流的要求。中功率模塊是目前應用最廣、發展最快、功能最全的通信高頻開關整流器模塊品種之一，大量應用于目前市場巨大的移動通信領域。電源開關變換技術發展迅速，其中DC／DC變換器部分更是各種新技術應用的“戰場”，從單端正激電路、雙正激電路到半橋電路、全橋電路，從無源軟開關技術到各種有源軟開關技術，從100 kHz的工作頻率至400kHz以上的工作頻率，功率變換技術和功率電子技術的新進展在這里都得到了充分的發揮。這些發展的最終目標都是朝著高性能、低成本、小體積的方向邁進，努力提高其市場競爭能力。目前通信電源領域發生的價格“大戰”，影響最大的就是中功率模塊電源。所以成本的高低已成為目前的首要矛盾。要降低成本須從產品設計，如簡化電路（盡量采用單端正激電路、雙正激電路），提高工作頻率等方面下功夫，并合理選擇和利用元器件，努力降低生產銷售等環節的成本，不斷推出性／價比優異的新品種等。
——小功率模塊：以48V／10A輸出模塊為代表。盡管目前其市場占有率不是很大，但隨著移動通訊、專門、農話及傳輸系統等逐步向通訊密集型和基站小型化等方向發展，其市場需求會日益增大，預計在不久的將來，將會成為各種通信系統應用的主導產品，發展前景看好。小功率模塊屬于成本“敏感”型產品，欲全面滿足通訊系統及環境等的高標準要求，叉要保證很低的成本，則在研制開始就要考慮采用獨特的電路形式，運用各種新技術，盡可能提高開關頻率，以求在保持高性能的基礎上，從根本上明顯降低成本。目前小功率模塊在電路上基本采用單相有源PFC加DC／DC變換器的兩級電路形式，能夠完全滿足各種要求，但成本與輸出功率的比率相對較高，難以適應將來大面積推廣的要求。目前國內外正積極研制一種單級高功率因數開關電路，即開關電源只由一級開關主電路構成。該電路兼有功率因數校正和DC／DC變換器兩種功能，在滿足輸出穩壓的基礎上，功率因數可達0.9以上，而其成本比普通單級開關變換器電路只增加5％，這非常迎合小功率模塊目前的處境，單從市場角度看就具有很高的開發價值。但由于單級高功率因數開關電路需要同時完成功率因數校正和輸出電壓恒定的功能，控制較為復雜，儲能電容及開關器件等的電應力較高，同時在效率等指標方面難以達標，離實用化還有一定距離。
2.2 機架電源系統
——隨著高頻開關整流器模塊技術和性能的不斷發展和完善，由它們組成的機架電源系統的性能也需要同步地發展和完善，尤其是在系統功能和系統可靠性兩個方面。這與用戶具體使用息息相關。
——系統功能。系統功能是開關整流器模塊性能的外在表現。目前機架電源系統除其主體——多個開關整流器模塊外，還包含一監控模塊，它起到管理電源系統本身、備用蓄電池及與外界接口等多種作用。另外機架電源系統還包括交直流配電部分，防雷模塊等。所以一個機架電源系統功能包含很多方面，如參數設置功能、均流功能、均浮充轉換功能、低壓斷路功能、單體電池監測功能、“三遙”功能以及防雷功能等等。這些功能在大多數廠家的產品中均已很好地解決，但為了滿足用戶不斷增長的需求，如安裝維護方便，提高系統故障檢修速度，減少長期維護費用等，需在系統中進一步完善如帶電插撥、參數自動設置、單體電池監測功能、“三遙”功能等，以充分發揮開關電源系統在更多方面的優勢。
——系統可靠性。隨著通信系統數字信息流量的高速增長，對其供電電源的系統級可靠性的要求越來越高。針對這種要求，機架電源系統需采取一些創新的改進方法，以切實提高系統可靠性。
——a.分布式供電：
——近年來有一明顯的趨勢就是在設計功率系統時，將電話交換設備配置成分布式供電結構（DP）而取代集中供電方式（CO），這得益于閥控式密封鉛酸蓄電池的實用化。
——傳統的集中供電方式結構是在一個供電機房內有通信開關電源、蓄電池、交流開關和各種備用供電設備等。直流電通過匯流排傳輸到通信機房內的通信架中。而分布式供電則是一定數量的較小功率的分布供電模塊（DPM）（包括開關整流器模塊和蓄電池等）放在每一個通信架一端，給它們直接供電。而交流電則通過轉換開關供電給每一個分布式機架，這就是分布式供電方式。用分布式供電方式替代集中供電方式有以下明顯優勢：
——（1）消除了CO方式中直流匯流排“單點失效”的故障隱患，大大提高了可靠性。
——（2）在機架內更新設備時造成整個設施供電中斷的可能性大大降低。
——因此系統可靠性有很明顯地提高。另外分布式供電結構還有其它優勢如初期投資少、節能、維護方便等。
——b.雙備份直流供電：
——在分布式供電系統中，可以來用兩個DPM分別通過二極管對同一個通信架供電。這種方式在每一個DPM中開關整流器模塊和蓄電池互有備份，使直流供電部分的可靠性更強。
——c.備份交流電源：
——另外一種提高整個系統可靠性方法是采用單獨的交流電源給系統中的每一個DPM供電，而不是同一交流電源給兩個DPM同時供電，這樣消除了單一交流供電方式的“單點失效”隱患。
——通過以上措施及其它一些措施如增加系統抗雷擊和瞬時過電壓能力以及提高各部件的EMC特性等，能大大提高直流供電系統的有效MTBF（如達到幾千年）。這是現代通訊系統所需要的。
聶榮琪，亞澳通訊電原有限公司總工程師。1968年畢業于北京理工大學，1968年到1997年從事微波器件和應用技術研究工作。1988年到1991年從事電力電子器件和應用技術研究。92年到99年從事通信產品的開發和研究。專長于通信電源技術。
孫棟，亞澳通訊電源有限公司電源部主任，工程師。1970年生，1992年畢業于西安交通大學電子工程系，曾先后兩次去澳大利亞學習高頻開關電源技術，多次參加國內各種技術交流活動。主要從事各種功率通信用高頻開關電源設計工作.
