Commdesign_通信电源技术基础.pdf

课程 LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0华为技术LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0目 录目录课程说明.1课程介绍.1培训目标.1参考资料.1第1章通信电源系统概述.21.1 通信设备对电源系统的基本要求.21.1.1 通信设备对电源的一般要求.21.1.2 现代通信对电源系统的新要求.31.2 通信电源系统的构成.51.2.1 交流供电系统.51.2.2 直流供电系统.61.2.3 接地系统.81.3 现代通信电源.91.3.1 开关电源成为现代通讯网的主导电源.91.3.2 促成开关电源占据主导地位的关键技术.9小结.13思考题.13第2章开关电源产品基础.142.1 线性电源、相控电源与开关电源.142.1.1 线性稳压电源.142.1.2 开关型稳压电源.152.2 高频开关电源的基本原理.172.2.1 开关电源的基本电路结构.172.3 安圣HD系列开关整流器原理.192.3.2典型电路工作原理.202.4 电源配电技术.212.4.1 交流配电部分.212.4.2 直流配电部分.222.5 PS系列电源简介.232.5.1 安圣公司PS系列电源.232.5.2 PS系列通信电源产品.24小结.25思考题.25第3章 电源监控系统.263.1 电源监控系统的作用及特点.263.1.1 安圣PS系列电源监控系统主要类别.27目录LA000004通信电源技术基础ISSUE1.03.2 集散式监控系统的组织结构及监控量.273.2.2 遥测量.283.2.3 遥信量.293.2.4 遥控量.293.2.5 遥调量.293.3 基础监控单元.293.3.1 整流模块的监控单元.293.3.2 直流配电的监控单元.303.3.3 交流配电的监控单元.31小结.32思考题.32第4章 电池产品技术及维护.334.1 电池的规格及主要参数.334.1.1 电池规格及结构参数（GFM系列）.334.2 电池结构及工作原理.364.2.1 产品结构图.364.2.2 工作原理.374.3 电池技术特性.374.3.1 放电特性.374.3.2 充电特性.384 3 3蓄电池贮存环境温度、贮存时间与容量关系.394.3.4 寿命特性.404.3.5 电池的使用.414 3 6蓄电池的维护.444.3.7 蓄电池的更换.454.4 蓄电池正确使用.454.4.1 蓄电池容量的选择.454.4.2 蓄电池组的组成计算.474.4.3 延长蓄电池的使用寿命.47小结 49思考题50第5章电源工程设计参考.545.1 电源系统容量配置参考.545.1.1 概述.545.1.2 电池容量计算.545.1.3 系统配置计算.545.2 交直流供电系统电力线的选配.555.2.1 交流供电回路的配线设计.565.2.2 交流回路电力线的敷设.575.2.3 直流供电回路电力线的组成.575.2.4 固定压降分配法.59目录LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0小结.60思考题.60第6章通信电源安全防护.616.1 工程与维护安全事项.616.1.1 概述.616.1.2 电气安全.616.1.3 甩池.636.1.4 高空作业.646.1.5 微波.646.1.6 激光.656.1.7 其他.656.2 电源设备接地系统.656.2.1 接地的必要性.656.2.2 接地系统的组成.676.2.3 接地系统的作用.686.2.4 接地系统的分类.706.2.5 接地系统的电阻和土壤的电阻率.736.3 雷电与通信电源安全防护.776.3.1 雷电的产生.776 3 2雷电参数.776.3.3 雷击种类.786 3 4我国雷暴活动的特征.796.3.5 通信电源的防雷.806.3.6 通信电源动力环境的防雷.826.3.7 PS通信电源的防雷.846.3.8 接地.866.3.9 防雷器非正常损坏的一些因素.87小结.89思考题.89第7章电源设备维护基本要求.907.1 概述.907.2 维护档案资料.907.2.1 甩源室必须的技术资料清单电源室技术资料清单.907.2.2 电源室记录文件.917.3 维护工具与设备.957.4 维护参考技术标准.977.5 日常维护项目.987.5.1 机房环境与消防设备维护.987.5.2 接地系统与过压防护设备维护.1007.5.3 电源交流供电检查.1007.5.4 密封电池的维护.101LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0目录7.5.5开关电源设备维护.1027.6 机房管理.1047.6.1 机房管理的一般要求.1047.6.2 仪表工具的管理.1057.6.3 维护备品备件和材料的管理.1057.7 维护操作.1067.7.1 日常维护.1067.7.2 巡检.106小结.110思考题.110第 8 章 UPS技 术.1118.1 概述.1118.1.1 背景.1118.1.2 名词术语.1118.2 UPS基础知识.1138.2.1 什么是 UPS.1138.2.2 UPS 分类.1148.2.3 UPS冗余备份.119824 UPS中的蓄电池.1208.2.5 UPS的电池管理.1218.2.6 UPS 的监控.1228.3 逆变器基础知识.1228.3.1 原理.1228.3.2 冗余式逆变器原理.1238.3.3 逆变器串联热备份.1258 3 4 使用注意事项.1268.4 UPS/逆变器选型指导.1268.4.1 选型基本原则.126842 UPS/逆变器选型.1288.4.3 选型 CHECKLIST.1308.4.4 UPS/逆变器使用环境.1318.5 UPS/逆变器常见问题解答.1318.6 产品展不.1378.6.1 艾默生产品系列.1378.6.2 Liebert 产品.138863 Ape 产品.1388.6.4 SANTAK 产品.1398.6.5 逆变器产品.140小结.141思考题.141LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0课程说明课程说明课程介绍本课程通过对通信电源网络结构及基本配置的介绍，配合例题及防护的案例讲解，引导学员了解并掌握通信电源的基本知识及基本维护方法。培训目标学完本课程后，学员能够：了解通信电源在通信网络中的种类及地位 掌握交直流电源的配置 掌握通信电源中各模块的基本功能 掌握通信电源的基本防护方法参考资料 朱雄世，人民邮电出版社，新型电信电源系统与设备 陈汉洲，安圣电气有限公司，通信电源产品用户培训手册第一分册通信电源基础电 力电子技术相关设计书籍1LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述第1章通信电源系统概述作为通信系统的“心脏”，通信电源在通信局（站）中具有无可比拟的重要地位。它包含的内容非常广泛，不仅包含48V直流组合通信电源系统，而且还包括DC/DC二次模块电源，UPS不间断电源和通信用蓄电池等。通信电源的核心基本一致，都是以功率电子为基础，通过稳定的控制环设计，再加上必要的外部监控，最终实现能量的转换和过程的监控。通信设备需要电源设备提供直流供电。电源的安全、可靠是保证通信系统正常运行的重要条件。1.1 通信设备对电源系统的基本要求1.1.1 通信设备对电源的一般要求1.可靠性高：一般的通信设备发生故障影响面较小，是局部性的。如果电源系统发生直流供电中断故障，则影响几乎是灾难性的，往往会造成整个电信局、通信枢纽的全部通信中断。对于数字通信设备，电源电压即使有瞬间的中断也不允许。因为在数字程控交换局中，信息存在存储单元中，虽然重要的存储单元都是双重设置的，若电源中断，两套并行工作的存储器同时丢失信息，则信息需从磁带、软盘等重新输入程序软件，通信将长时间中断。因此，通信电源系统要在各个环节多重备份，保证供电可靠。这就包括“多路、多种、多套”的备用电源。在暂还没有条件达到“三多”配置的地方，至少应有后备电池。2.稳定性高：各种通信设备都有要求电源电压稳定，不允许超过容许的变化范围，尤其是计算机控制的通信设备，数字电路工作速度高，频带宽，对电压波动、杂音电压、瞬变电压等非常敏感。所以，供电系统必须有很高的稳定性。3.效率高：能源是宝贵的，电信设备在耗费巨资完成设备投资后，日常的费用支出中，电费是一笔比重很大的开支。尤其随着通信容量的增大，一个母局的各种设备用上百、上千安培直流的用电量已是司空见惯，这时效率问题就特别突出。这就要求电源设备（主要指整流电源）应有较高转换效率，即要求电源设备的自耗要小。2LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述1.1.2现代通信对电源系统的新要求1.低压、大电流，多组供电电压需求低压、大电流，多组供电电压需求，功率密度大幅度提升，供电方案和电源应用方案设计呈现出的多样性。2.模块化：自由组合扩容互为备用提高安全系数，模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的应力（表现为过电压、过电流毛刺）。为了提高系统的可靠性，而把相关的部分做成模块。把开关器件的驱动、保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM）,这既缩小了整机的体积，又方便了整机设计和制造。多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，便极大地提高了系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供了充分的时间。现代电信要求高频开关电源采用分立式的模块结构，以便于不断扩容、分段投资，并降低备份成本。不能象习惯上采用的1+1的全备用（备份了 100%的负载电流），而是要根据容量选择模块数N,配 置 N+1个 模 块（即只备份了 1/N的负载电流）即可。3.能实现集中监控：现代电信运维体制要求动力机房的维护工作通过远程监测与控制来完成。这就要求电源自身具有监控功能，并配有标准接通讯接口，以便与后台计算机或与远程维护中心通过传输网络进行通信，交换数据，实现集中监控。从而提高维护的及时性，减小维护工作量和人力投入，提高维护工作的效率。4.自动化、智能化：要求电源能进行电池自动管理，故障自诊断，故障自动报警等，自备发电机应能自动开启和自动关闭。3LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述5.小型化:现在各种通信设备的日益集成化、小型化，这就要求电源设备也相应的小型化，作为后备电源的蓄电池也应向免维护、全密封、小型化方面发展，以便将电源、蓄电池随小型通信设备布置在同一个机房，而不需要专门的电池室。6.新的供电方式：相应于电源小型化，供电方式应尽可能实行各机房分散供电，设备特别集中时才采用电力室集中供电，大型的高层通信大楼可采用分层供电（即分层集中供电）。集中供电和分散供电各有优点，因条件不同斟酌选用。图 1-1是传统电力室配置示意图：图1-1集中供电系统对于集中供电，电力室的配置包括交流配电设备、整流器、直流配电设备、蓄电池。各机房从电力室直接获得直流电压和其它设备、仪表所使用的交流电压。这种配置有它的优点，例如集中电源于一室，便于专人管理。蓄电池不会污染机房等。但它有一个致命的缺点，即浪费电能，传输损耗大，线缆投资大。因为直流配电后的大容量直流电流由电力室传输到各机房，传输线的微小电阻也会造成很大的压降和功率损耗。对于分散供电，电力室成为单纯交流配电的部分，而将整流器、直流配电和蓄电池组分散装于各机房内。这样，将整流器、直流配电、电池化整为零，使它们能够小型化，相对的小容量。但这里有个先决条件，蓄电池必须是全密封型的，以免腐蚀性物质的挥发而污染环境、损 坏 设 备（现行的全密封型的电池已经能达到要求了）。4LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述分散供电最大的优点是节能。因为从配电电力室到机房的传输线匕 原先传输的直流大电流，现在变为传输380V的交流。计算表明，在传输相同功率的情况下，380V交流电流要比48V的直流电流小得多，在传输线上的压降造成的功率损耗只有集中供电的1/491/64o1.2通信电源系统的构成通信电源系统一般由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成，如图1-2所示：|-交痴供皂系状-1-直直供电莱彼|图1-2通信动力系统的构成1.2.1 交流供电系统1.系统组成通信电源的交流供电系统由高压配电所、降压变压器、油机发电机、UPS和低压配电屏组成。交流供电系统可以有三种交流电源：变电站供给的市电、油机发电机供给的自备交流电、UPS供给的后备交流电。5LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述2.油机发电机：为防止停电时间较长导致电池过放电，电信局一般都配有油机发电机组。当市电中断时，通信设备可由油机发电机组供电。油机分普通油机和自动启动油机。当市电中断时，自动启动油机能自动启动，开始发电。由于市电比油机发电机供电更经济和可靠，所以，在有市电的条件下，通信设备般都应由市电供电。3.UPS：为了确保通信电源不中断、无瞬变，可采用静止型交流不停电电源系统，也称 UPS。UPS一般都由蓄电池、整流器、逆变器和静态开关等部分组成。市电正常时，市电和逆变器并联给通信设备提供交流电源，而逆变器是由市电经整流后给它供电。同时.，整流器也给蓄电池充电，蓄电池处于并联浮充状态。当市电中断时，蓄电池通过逆变器给通信设备提供交流电源。逆变器和市电的转换由交流静态开关完成。4.交流配电屏：输入市电，为各路交流负载分配电能。当市电中断或交流电压异常时（过压、欠压和缺相等），低压配电屏能自动发出相应的告警信号。5.连接方式交流电源备份方式大型通信站交流电源般都由高压电网供给，自备独立变电设备。而基站设备常常直接租用民用电。为了提高供电可靠性，重要通信枢纽局一般都由两个变电站引入两路高压电源，并且采用专线引入，一路主用，一路备用，然后通过变压设备降压供给各种通信设备和照明设备，另外还要有自备油机发电机，以防不测。一般的局站只从电网引入一路市电，再接入自备油机发电机作为备用。一些小的局站、移动基站只接入一路市电（配足够容量的电池），油机为车载设备。1.2.2直流供电系统1.系统组成通信设备的直流供电系统由高频开关电源（AC/DC变换器）、蓄电池、DC/DC变换器和直流配电屏等部分组成。2.整流器：从交流配电屏引入交流电，将交流电整流为直流电压后，输出到直流配电屏与负载及蓄电池连接，为负载供电，给电池充电。6LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述3.蓄电池：交流停电时，向负载提供直流电，是直流系统不间断供电的基础条件。4.直流配电屏：为不同容量的负载分配电能，当直流供电异常时要产生告警或保护。如熔断器断告警、电池欠压告警、电池过放电保护等。5.DC-DC变换器：DC/DC变换器将基础电源电压（-48V或+24V）变换为各种直流电压，以满足通信设备内部电路多种不同数值的电压（5V、6V、12V、15V.-24V等）的需要。近年来，由于微电子技术的迅速发展，通信设备已向集成化，数字化方向发展。许多通信设备采用了大量的集成电路组件，而这些组件需要5V-15V的多种直流电压。如果这些低压直流直接从电力室供给，则线路损耗一定很大、环境电磁辐射也会污染电源，供电效率很低。为了提高供电效率，大多通信设备装有直流变换器，通过这些直流变换器可以将电力室送来的高压直流电变换为所需的低压直流电。另外，通信设备所需的工作电压有许多种，这些电压如果都由整流器和蓄电池供给，那么就需要许多规格的蓄电池和整流器，这样，不仅增加了电源设备的费用，也大大增加了维护工作量。为了克服这个缺点，目前大多数通信设备采用DC-DC变换器给内部电路供电。DC-DC变换器能为通信设备的内部电路提供非常稳定的直流电压。在蓄电池电 压（DC-DC变换器的输入电压）由于充、放电而在规定范围内变化时，直流变换器的输出电压能自动调整保持输出电压不变。从而使交换机的直流电压适应范围更宽，蓄电池的容量可以得到充分的利用。6.连接方式直流供电方式蓄电池是直流系统供电不中断的基础条件。根据蓄电池的连接方式，直流供电方式主要采用并联浮充供电方式，尾电池供电方式、硅管降压供电方式等等基本不再使用。并联浮充供电方式是将整流器与蓄电池直接并联后对通信设备供电。在市电正常的情况下，整流器一方面给通信设备，一方面又给蓄电池充电，以补充蓄电池因局部放电而失去的电量；当市电中断时，蓄电池单独给通信设备供电，蓄电池处于放电。由于蓄电池通常处于充足电状态，所以市电短期中断7LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述时，可以由蓄电池保证不间断供电。若市电中断期过长，应启动油机发电机供电。这是最常用的直流供电方式。采用这种工作方式时，蓄电池还能起一定的滤波作用。但这种供电方式有个缺点一一在并联浮充工作状态下，电池由于长时间放电导致输出电压可能较低，而充电时均充电压较高，因此负载电压变化范围较大。它适用于工作电压范围宽的交换机。1.2.3接地系统为了提高通信质量、确保通信设备与人身的安全，通信局站的交流和直流供电系统都必须有良好的接地装置。1.通信机房的接地系统通信机房的接地系统包括交流接地和直流接地。2.交流接地交流接地包括：交流工作接地、保护接地、防雷接地。3.直流接地直流接地包括：直流工作接地、机壳屏蔽接地。图1-3通信机房接地系统8LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第1章通信电源系统概述4,通信电源的接地通信电源的接地包括：交流零线复接地、机架保护接地和屏蔽接地、防雷接地、直流工作地接地通信电源的接地系统通常采用联合地线的接地方式。联合地线的标准连接方式是将接地体通过汇流条（粗铜缆等）引入电力机房的接地汇流排，防雷地、直流工作地和保护地分别用铜芯电缆连接到接地汇流排上。交流零线复接地可以接入接地汇流排入地，但对于相控设备或电机设备使用较多（谐波严重）的供电系统，或三相严重不平衡的系统，交流复接地最好单独埋设接地体，或从直流工作接地线以外的地方接入地网，以减小交流对直流的污染。以上四种接地一定要可靠，否则不但不能起到相应的作用，甚至可能适得其反，对人身安全、设备安全、设备的正常工作造成威胁。1.3现代通信电源1.3.1 开关电源成为现代通讯网的主导电源在通讯网上运行的电源主要包括三种：线性电源、相控电源、开关电源。传统的相控电源，是将市电直接经过整流滤波提供直流，由改变晶闸管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所用的变压器是工频变压器,体积庞大。所以，相控电源体积大、效率低、功率因数低，严重污染电网，已逐渐被淘汰。另外一种常用的稳压电源，是通过串联调整管可以连续控制的线性稳压电源,线性电源的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要较大功率调整管并装有体积很大的散热器，发热严重，效率很低，一般只用作小功率电源，如设备内部电路的辅助电源。开关电源的功率调整管工作在开关状态，有体积小、效率高、重量轻的优点,可以模块化设计，通常按N+1备 份（而相控电源需要1+1备份），组成的系统可靠性高。正是这些优点，开关电源已在通信网中大量取代了相控电源，并得到越来越广泛的应用。1.3.2 促成开关电源占据主导地位的关键技术从开关电源的发展看，它最早出现在二十世纪六十年代中期。当时美国研制出了 20kHz的 DC/DC变换器，这为开关电源的发明创造了条件。七十年代，出现了用高频变换技术的整流器，它不需要50Hz的工频变压器，直接将交流电整流，再逆变为高频交流，再整流滤波变为所需直流电压。9LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 1章 通信电源系统概述八十年代初，英国科学家根据以上的条件和原理，制造出了第套实用的48V开关电源(Switch Mode Rectifier),被命名作SMR电源。随着器件技术的发展，出现了大功率高压场效应管，它的关断速度大大加快，电荷存储时间大大缩短，从而大大提高了开关管的开关频率。随着电力电子技术和自动控制技术的发展，开关电源的各方面的技术得到了飞速的发展。在各方面的技术进步中，对于开关电源在通信电源中形成主导地位有决定性意义的技术突破有以下四项：(1)均流技术使开关电源可以通过多模块并联组成前所未有的大电流系统和提高系统的可靠性；(2)开关线路的发展使开关电源的频率不断提高的同时效率亦提高，并且使每个模块的变换功率也不断增大；(3)功率因数校正技术有效地提高了开关电源的功率因数。在这环保意识不断加强的时代，这是它形成主导地位的关键：(4)智能化给维护工作带来了极大的方便，提高了维护质量，使它倍受人们的青睐。1.功率因数校正技术由于开关电源电路的整流部分使电网的电流波形畸变，谐波含量增大，而使得功率因数降低(不采取任何措施，功率因数只有0.60.7),污染了电网环境。开关电源要大量进入电网，就必须提高功率因数，减轻对电网的污染，以免破坏电网的供电质量。这里介绍提高功率因数的措施。2.采用三相三线制整流因为三相三线制没有中线的整流方式，不存在中线电流(如果有中线，三次谐波在中线上线性叠加，谐波分量很大)，这时虽然相电流中间还有一定的谐波电流，但谐波含量大大降低，功率因数可提高到0.86以上。这种供电方式的电路如图1-4所示。10第1章 通信电源系统概述LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0利用无源功率因数校正技术这一技术是在三相无中线整流方式下，加入一定的电感来把功率因数提高到0.93以上，谐波含量降到10%以下，电路如图1-5所示，适当选择校正的参数，功率因数可达0.94以上。安圣公司生产的100A和 200A整流模块采用了这种技术。38OV图1-5无源功率因数校正电路采用有源功率因数校正技术在输入整流部分加一级功率处理电路，强制流经电感的电流几乎完全跟随输入电压变化（输入电压、电流波形如图1-7所示），无功功率儿乎为0,功率因数可达0.99以上，谐波含量可降低到5%以下。图 1-6示意了这种方法的电路图。可见采用有源校正后电流谐波含量大减少，已接近正弦波，安圣公司生产的50A整流模块采用了这种技术，功率因数高达0.99。22 OV11LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第1章通信电源系统概述图1-7输入电压、电流波形3.开关电源的智能化技术开关电源系统大量应用了控制技术、计算机技术进行各种异常保护、信号检测、电池自动管理等等。有专门的监控电路板分别对交流配电、直流配电的各参数进行实时监控，能实现交流过、欠压保护，两路市电自动切换，电池过欠压告警、保护等功能;许多开关电源的每个整流模块内都配有C P U,对整流器的工作状态进行监测和捽制，如模块输出电压、电流测量，程序控制均浮充转换等。整流模块本身能实现过、欠压保护，输出过压保护等保护功能，并能进行一些故障诊断。电源系统配有监控单元对整个系统进行监控，电池自动管理，作为人机交互界面处理各监控板采集的数据、过滤告警信息、故障诊断，并提供通讯口以供后台监控和远程监控。远程监控使维护人员在监控中心同时监视儿十分机器，电源有故障会立即回叫中心，监控系统自动呼叫维护人员。这些都大大提高了维护的及时性，减小了维护工作量。这些智能化的措施，使得维护人员面对的不再只是复杂的器件和电路，而是一条条用熟悉的人类语言表达的信息，仿佛面对着的是一个能与自己交流的新生命。总之，这些技术上的进步和使用维护上的方便，使得开关电源在通信电源中逐渐占据主导地位，成为现代通信电源的主流。12第 1章 通信电源系统概述LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0小结通信设备对电源的要求。通信动力机房的构成：交流、直流、接地。开关电源成为通信电源的主导，使开关电源形成主导地位的关键技术：均流技术、开关线路技术、功率因数校正技术、智能化。思考题1、为何通信设备对电源的可靠性要求很高？通信电源系统是通过什么方法来达到这一要求的？2、和传统相比，现代通信对电源系统有何新要求？3、集中供电和分散供电各有什么优缺点？4、试说明通信电源系统的构成。5、开关电源为什么要采用均流技术？6、提高开关电源功率因数有哪些措施？7、开关电源智能化对动力维护工作有何帮助？13LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0第 2 章开关电源产品基础第2章 开关电源产品基础直流稳压电源主要有线性电源、相控电源、开关电源三种。本章介绍了开关电源的稳压原理、基本电路结构，详细分析了功率变换电路、PWM控制器原理。并在此基础上，介绍了安圣HD系列开关整流器共性部分典型电路的原理。2.1 线性电源、相控电源与开关电源交流电经过整流，可以得到直流电。但是，由于交流电压及负载电流的变化,整流后得到的直流电压通常会造成20%到 40%的电压变化。为了得到稳定的直流电压，必须采用稳压电路来实现稳压。按照实现方法的不同，稳压电源可分为三种：线性稳压电源、相控稳压电源、开关稳压电源。2.1.1 线 性稳压电源线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大部分（误差放大器）、反馈采样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图1-8所示。调整管与负载串联分 压（分担输入电压Ui）,因此只要将它们之间的分压比随时调节到适当值,就能保证输出电压不变。这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高,则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。图 2-1为用分立元件组成简单的线性稳压器电路线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能非常好。但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性放大区，调整管匕功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低，只有20%40%,发热损耗严重，所需的散热器体积大，重量重，因而功率体积系数只有2030W/dm3；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有5mso 因此线性电源主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如：一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。14LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 2 章 开关电源产品基础图2-1线性串联稳压电源原理框图2.1.2 开关型稳压电源线性稳压电源的动态响应非常快，稳压性能好，只可惜功率转换效率太低。要提高效率，就必须使图2-1中的功率调整器件处于开关工作状态，电路相应地稍加变化即成为开关型稳压电源。转变后的原理框图如图2-2所示。调整管作为开关而言，导 通 时（压降小）几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达80%以 ko在图2-2中，波动的直流电压Ui输入高频变换器（即为开关管Q 和二极管D）,经高频变换器转变为高频（220kHz）脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过滤波 器（电 感 L 和电容C）变成平滑的直流电压供给负载。高频变换器和输出滤波器一起构成主回路，完成能量处理任务。而稳定输出电压的任务是靠控制回路对主回路的控制作用来实现的。控制回路包括采样部分、基准电压部分、比较放大器（误差放大器）、脉冲/电压转换器等。开关电源稳定输出电压的原理可以直观理解为是通过控制滤波电容的充、放电时间来实现的。具体的稳压过程如下：当开关稳压电源的负载电流增大或输入电压U i降低时，输出电压Uo轻微下降，控制回路就使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变宽，即给电容多充点电（充电时间加长），少放 点 电（放电时间减短），从而使电容C 上 的电压（即输出电压）回升，起到稳定输出电压的作用。反之，当外界因素引起输出电压偏高时，控制电路使高频变换器输出脉冲方波的宽度变窄，即给电容少充点电，从而使电容C 上的电压回落，稳定输出电压。15LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 2 章 开关电源产品基础图2-2 降压型开关电源原理图开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较项目开关稳压电源线性稳压电源功率转换效率65%95%20%40%发 热（损耗）小大体积小大功率体积系数60100W/dm32030W/dm3重量轻功率重量系数60150W/kg2230W/kg对电网变化的适应性误犯输出电压保持时间长(20ms)短(5ms)电路复杂简单射频干扰和电磁干扰（RFI和 EMI）大小纹波大(10mV)P-P小(5mV)P-P动态响应稍 差(2ms)好(100s)电压、负投稳定度高低开关稳压电源和线性稳压电源相比，功率转换效率高，可达65%90%,发热少，体积小、重量轻，功率体积系数可达60100W/dm3,对电网电压大范围变化具有很强的适应性，电压、负载稳定度高，输出电压保持时间长达20ms。但是线路复杂，电磁干扰和射频干扰大。具体性能指标对比如表2-1所示。和相控稳压电源相比，开关电源不需要工频变压器，工作频率高，所需的滤波电容、电感小，因而体积小，重量轻，动态响应速度快。开关电源的开关16LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0第 2 章开关电源产品基础频率都在20kHz以上，超出人耳的听觉范围，没有令人心烦的噪声。开关电源可以采用有效的功率因数较正技术，使功率因数达0.9以上，高的甚至达到0.99（安 圣 的 HD4850整流模块）。这些使得开关电源的性能儿乎全面超过相控电源，在通信电源领域已大量取代相控电源。开关电源的线路复杂，这种电路问世之初，其控制线路都是由分立元件或运算放大器等集成电路组成。由于元件多，线路复杂以及随之而来的可靠性差的原因，严重影响了开关电源的广泛应用。开关电源的发展依赖于元器件和磁性材料的发展。7 0 年代后期，随着半导体技术的高度发展，高反压快速功率开关管使无工频变压器的开关稳压电源迅速实用化。而集成电路的迅速发展为开关稳压电源控制电路的集成化奠定了基础。陆续涌现出的开关稳压电源专用的脉冲调制电路如SG3526和 TL494等为开关稳压电源提供了成本低、性能优良可靠、使用方便的集成控制电路芯片，从而使得开关电源的电路由复杂变为简单。目前，开关稳压电源的输出纹波已可达100mV以下，射频干扰和电磁干扰也被抑制到很低的水平上。总之，随着电技术的发展，开关稳压电源的缺点正逐步被克服，其优点也得以充分发挥。尤其在当前能源比较紧张的情况下，开关稳压电源的高效率能够在节能上做出很大的贡献。正因为开关电源具有这些优点，它得到了蓬勃的发展。2.2 高频开关电源的基本原理2.2.1 开关电源的基本电路结构通信电源的功率较大，所采用的开关电源一般都是他激式的，这里只介绍他激式开关电源的结构和原理。开关电源的基本电路框图如图2-3所示。17LA000004通信电源技术基础ISSUE1.0第 2 章开关电源产品基础图2-3 开关电源基本电路原理框图开关电源的基本电路包括两部分。一是主电路，是指从交流电网输入到直流输出的全过程，它完成功率转换任务。二是控制电路，通过为主电路变换器提供的激励信号控制主电路工作，实现稳压。2.主电路交流输入滤波器：其作用是将电网中的尖峰等杂波过滤，给本机提供良好的交流电，另一方面了也防止本机产生的尖峰等杂音回馈到公共电网中。整流滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，尽量提高频率，以利于用较小的电容、电感滤波（减小体积、提高稳压精度），同时也有利于提高动态响应速度。频率最终受到元器件、干扰、功耗以及成本的限制。输出整流滤波：是根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。其中逆变将直流变成高频交流，输出整流滤波再将交流变成所希望的直流，从而完成从种直流电压到另一种直流电压的转换，因此也可以将这两个部分合称DC-DC变 换（直流一直流变换）。3.控制电路从输出端采样，经与设定标准（基准电源的电压）进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或频率，从而控制滤波电容的充放电时间，最终达到输出稳定的目的。18LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 2 章 开关电源产品基础2.3 安圣 HD系列开关整流器原理为了保证长期稳定运行和满足特定应用场合的要求，实际电源产品还有许多专用电路，保护电路等。采样电路基 准 顿IAC(TC -VWVWMWi4图2-4 安圣HD系列开关整流器的典型原理框图安圣的HD系列高频开关整流器的典型原理框图如图2-4所示。它主要由输入电网滤波器、输出整流滤波器，控制电路，保护电路，辅助电源等几部分组成。它的主电路：主要由交流输入滤波器、整流滤波电路、DC/DC变换电路、次级滤波电路组成，完成功率变换。控制电路：由采样电路、基准电源、电压/电流比较放大、输入输出隔离、脉宽调制电路、脉冲信号源电路、驱动电路及均流电路等组成电压环、电流环双环控制电路。除此之外，还有一些辅助电路：辅助电源电路、风扇故障保护电路、表头显示电路及其它一些提高系统可靠性的保护电路。下面分块介绍电路及其工作原理。19LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 2 章 开关电源产品基础2.3.2 典型电路工作原理1.主电路电路如图2-5所示。交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压。图2-5典型主电路2.交流输入滤波及桥式整流滤波电路电容 C116、C117、C 1 1 8,共模电感 L102 构成 EMI（日etromagneticInterference电磁干扰）滤波器，其作用是：方面抑制电网上的电磁干扰；另一方面它还对开关电源本身产生的电磁干扰有抑制作用，以保证电网不受污染。即它的作用就是滤除电磁干扰，因此常称作EMI滤波器。单相/三相市电经滤波后，再经全桥整流滤波，得到300V/500V左右的高压直流电压送入功率变换电路。3.功率变换电路（DC/DC变换电路）300V/500V高压直流电送入功率变换器，功率变换器首先将高压直流电转变为高频交流脉冲电压或脉动直流电，再经高频变压器降压，最后经输出整流滤波得到所需的低压直流电。4.次级滤波电路由于DC/DC全桥变换器输出的直流电压仍含有高频杂音，需进步滤波才能满足要求。为此在DC/DC变换器之后，又加了共模滤波器。由高频电容C212、C213及电流补偿式电感L23组成的共模滤波器的直流阻抗很低，但对高频杂音有很强的抑制作用，使输出电压的高频杂音峰一峰值降到200mV 以下。20LA000004通信电源技术基础ISSUE 1.0第 2 章 开关电源产品基础2.4 电源配电技术2.4.1 交流配电部分1 .交流配电原理分析电源系统交流输入一般有两路，如图2-6所示的为具有两路自动切换功能的电源交流配电系统原理图。市电I 和市电II分别由空开ZK1、ZK2接入，接触器K1,K2及其辅助接点构成机械与电气互锁功能。只要有市电且市电电压在规定的范围之内时，I 路市电优先，K1吸合，K2断开，送 入 I 路市电。通过空开 ZK301ZK312给整流模块供电，ZK4ZK7则是提供用户使用分路（用户可用作空调、照明等）。市电采样板分别检测市电I 和市电II的电压信号，供监控模块及市电控制板使用。市电控制板通过采样板检测的电压信号来控制接触器K1,K2的驱动线圈，从而实现两路市电的自动切换。控制板上设有市电过欠压指示，市电正常时，指示灯熄灭，如果市电过欠压则相应的指示灯亮。在整流模块及交流辅助输出之前设置了由C 级、D 级所构成的两级防雷系统。b 电Im)l(D 1)2.交流配电单元组成交流配电单元（屏）通常由以下几个部分组成:21LA000004通信