【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 據(jù)指令實(shí)現(xiàn)遙開(kāi)、遙關(guān)和遙調(diào)功能。 2． 3 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn) 高頻 開(kāi)關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)就在于“高頻”二字，我們從電學(xué)中知道，鐵心電路與無(wú)鐵心電路的主要區(qū)別是： 鐵心電路 無(wú)鐵心電路 r? 大，不是常量 L 大，不是常量 φ與 i 不成正比 除銅損外還有鐵損 r? ≈ 1 常量 L 小，是常量 φ與 i 成正比 只有銅損無(wú)鐵損 為此，鐵心電路不能用視 L 為常數(shù)的公式， 如： dtdiLe ?? 等，只能用基本公式： dtdWe ??? 設(shè)鐵心中磁通按正弦規(guī)律變化 14 即： tM ?sin??? 則：dtdWeL ??? tW M ?? co s??? tEM ?cos? MMM fWWE ???? ?? 2 在正弦情況下： 2?ME E 故： SBffWEMWM ??? ? 式中 f 為通過(guò)鐵心電路的電源頻率 W為鐵心電路線圈匝數(shù) MB 為鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度 S為鐵心線圈截 面積 以上公式是計(jì)算變壓器和一切鐵心電路匝數(shù)與所需鐵芯截面的基本公式，從公式中不難看出頻率越高，截面積可以設(shè)計(jì)得越小，如果能把頻率從 50Hz 工頻提高到 50kHz，即提高了一千倍，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍。下面我們來(lái)看一下高頻開(kāi)關(guān)電源與傳統(tǒng)的相控電源相比有哪些優(yōu)點(diǎn)。 1．重量輕，體積小，適用于分散供電，與閥控式密封鉛酸蓄電池配套，可放在通信機(jī)房。 2．效率高，大于 90％ (相控 60％～ 80％ )。 3．功率因數(shù)高，大于 (相控 ～ )。 當(dāng)配有功率因數(shù)校正電路 的高頻開(kāi)關(guān)電源，功率因數(shù)近似于 1，而且對(duì)公共電網(wǎng)基本上無(wú)污染。 4．穩(wěn)壓精度可高達(dá) ％ (相控 1％ )。 5．噪音低，開(kāi)關(guān)頻率在 40kHz 以上，基本無(wú)噪音。 6．維護(hù)方便，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源是模塊式的，可以在運(yùn)行中更換模塊，不影響通信 (而相控電源必需停機(jī)處理 )。 7．實(shí)行 N十 1冗余式配置，可靠性高。 15 8．?dāng)U容方便，在初建時(shí)，可預(yù)計(jì)終期容量機(jī)架，整流模塊可根據(jù)擴(kuò)容計(jì)劃，逐步增加，一般新增一個(gè)模塊用 15min 即可投入運(yùn)行。 9．調(diào)試方便，內(nèi)設(shè)模擬測(cè)試電路，無(wú)需另配假負(fù)載 。 10．配有微機(jī)控制，遠(yuǎn)端接口，組成智能化電源設(shè)備便于集中監(jiān)控，無(wú)人值守。 11．對(duì)交流輸入要求低，在三相嚴(yán)重不平衡時(shí)，甚致缺了一相，整流及系統(tǒng)仍能輸出提供負(fù)載穩(wěn)定的直流電 (唯容量相應(yīng)減小 )。 12．自動(dòng)化程度高，具有智能設(shè)備的性能，一般相控電源難于做到的，開(kāi)關(guān)電源均能做到。 由于高頻開(kāi)關(guān)電源有以上這些優(yōu)點(diǎn)，必然將取代相控電源，這是在通信電源的一次革命。 2． 4 高頻開(kāi)關(guān)整流器的分類(lèi) 目前，在國(guó)內(nèi)外有關(guān)高頻開(kāi)關(guān)整流器的文獻(xiàn)和產(chǎn)品樣本中，經(jīng)常可以見(jiàn)到不同種類(lèi)高頻開(kāi)關(guān)整流器的名 稱(chēng)，這是由于命名者力圖反映所論高頻開(kāi)關(guān)整流器的特色，從不同角度按主要電路結(jié)構(gòu)、控制方式和所采用的關(guān)鍵元器件不同而引起的，歸納起來(lái)，主要可以分為以下幾類(lèi)： 1．按調(diào)制方式分，有脈沖寬度調(diào)制（ PWM）、脈沖頻率調(diào)制（ PFM）和混合調(diào)制。 脈沖寬度調(diào)制指在開(kāi)關(guān)頻率恒定的情況下，將二次整流后的輸出電壓的波動(dòng)變換為脈沖寬度的變化，從而改變脈沖的占空比，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，使輸出電壓穩(wěn)定。 脈沖頻率調(diào)制指在開(kāi)關(guān)脈沖寬度恒定的情況下，將二次整流后的輸出電壓的波動(dòng)變換為頻率的變化，從而改變脈沖的占空比，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，使輸出電壓穩(wěn)定。 如果將二次整流后的輸出電壓的變化變換為既改變脈沖寬度，又改變脈沖頻率，就可得到在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，使其穩(wěn)定，這就成為 PWM 和 PFM的混合調(diào)制方式。 16 2．按采用的開(kāi)關(guān)技術(shù)分，有硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)。 采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的整流器，一般稱(chēng)之為 SMR（ Switching Mode Recitifier），通常所指的開(kāi)關(guān)整流器 SMR，就是采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的。其主要特點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)整流器中的功率開(kāi)關(guān)器件工作在強(qiáng)迫關(guān)斷（即電流不為 0）和強(qiáng)迫導(dǎo)通（即電壓不為 0）方式。顯然，采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)整流器，在開(kāi)關(guān)器件的 導(dǎo)通和截止期間存在一定的功率損耗。另外，其開(kāi)關(guān)頻率的提高也受到限制，一般控制在 300KHz 左右。目前，硬開(kāi)技術(shù)已完全成熟，如何減少開(kāi)關(guān)器件的損耗，提高整機(jī)的效率有許多有效的措施，包括很多專(zhuān)利技術(shù)，都證明是行之有效的。比較好的是整機(jī)效率可達(dá)到 91%以上。由于硬開(kāi)關(guān)技術(shù)具備技術(shù)成熟，對(duì)高頻信號(hào)干擾的處理方式完善，尤其是主回路可靠，制造成本易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此已廣泛應(yīng)用于通信用開(kāi)關(guān)整流器中，硬開(kāi)關(guān)技術(shù)仍然是主流。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即通常所指的諧振型整流器，就是采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的。諧振型技術(shù)主要是使各開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電 壓或零電流導(dǎo)通或截止，從而減少開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率。目前目前諧振型變換器的工作頻率可達(dá) 10MHz以上。在大多數(shù)場(chǎng)合下，我們按有源開(kāi)關(guān)的過(guò)零開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)，將諧振型開(kāi)關(guān)技術(shù)分為零電流開(kāi)關(guān)型 —— ZCS 和零電壓開(kāi)關(guān)型 —— ZVS兩大類(lèi)。 3．按交流電的輸入類(lèi)型分，有單相與三相之分。 17 第三章 時(shí)間比率控制穩(wěn)壓原理和特點(diǎn) 3． 1 時(shí)間比率控制穩(wěn)壓原理 一、串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源 圖 3— 1 是晶體管串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源的示意圖，輸入電源 E 和輸出電壓 0V 之間串聯(lián)著一個(gè)可變電阻 WR ， WR 在穩(wěn)態(tài)條件下，輸入電源 E 和輸出電壓之間，有下述關(guān)系： WLRIEV ??0 （ 3— 1） 當(dāng) E 或 LR 變化時(shí)，可以調(diào)整 WR 的阻值，使輸出電壓 0V 維持不變，這便是串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源的基本工作原理，可變電阻 WR 用晶體管取代，因?yàn)榫w管工作在輸出特性的線性區(qū)，所以稱(chēng)為串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源。 圖 3— 1 串聯(lián)線性調(diào)整穩(wěn)壓電源示意圖 在這種電源里，輸入電源向負(fù)載連續(xù)地提供能量，這是它的特點(diǎn)之一。 電壓調(diào)整元件 (串聯(lián)功率晶體管 )上的功率損耗可由下式 表示： WLLT RIIVEP 20 )( ??? （ 3— 2） 可見(jiàn)， E 和 0V 之間的差值越大，流過(guò)晶體管的電流越大，則功率晶體管上的功率損耗也越大，穩(wěn)壓電源的效率就越低。 二、開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的示意圖如圖 3— 2 所示。開(kāi)關(guān) K 以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，在開(kāi)關(guān) K 接通時(shí)，輸入電源 E 通過(guò)開(kāi)關(guān) K 和濾波電路提供給負(fù)載LR ，在整個(gè)開(kāi)關(guān)接通期間，電源互向負(fù)載提供能量；當(dāng)開(kāi)關(guān) K 斷開(kāi)時(shí)，輸入電+ + LR 1C 1C 2C 1C 0V LI + + － － WR E 18 源 E 便中斷了能量的提供?？梢?jiàn)，輸入電源向負(fù)載提供能量不像串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源那樣連續(xù)，而是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量供給，開(kāi)關(guān)型穩(wěn) 壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開(kāi)關(guān)接通時(shí)將一部份能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，向負(fù)載釋放。圖 3— 2中，由電感 L 、電容 2C 和二極管 D 組成的電路，就具有這種功能。電感 L 用以?xún)?chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在電感 L 中的能量通過(guò)二極管 D 釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而 穩(wěn)定的能量，因二極管 D 使負(fù)載電流連續(xù)不斷，所以稱(chēng)為續(xù)流二極管。 圖 3— 2 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源示意圖 在濾波電路輸入端 AB間得到的電壓波形如圖 3— 3 所示，在 AB間的電壓平均值 ABE 可用下式表示： ETtE ONAB? （ 3— 3） 式中 ONt 為開(kāi)關(guān)每次接通的時(shí)間， T 為開(kāi)關(guān)通斷的工作周期 (即開(kāi)關(guān)接通時(shí)間ONt 和關(guān)斷時(shí)間 OFt 之和 )。 圖 3— 3 濾波電路輸入端的電壓波形 0 ABE 0V E T 1ONt 2ONt 3ONt t 01V 02V 03V K L B + + 1C 1C LR + 0V + － － 2C 1C E D A LI 19 由式 (3— 3)可知，改變開(kāi)關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例， AB 間電壓的平均值也隨之改變，如圖 3— 3 所示。因此，隨著 負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動(dòng)調(diào)整 ONt 和 T 的比例便能使輸出電壓 0V 維持不變。 改變接通時(shí)間 ONt 和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱(chēng)為“時(shí)間比率控制” (Time Ratio Control，縮寫(xiě)為 TRC)。 用功率晶體管作為開(kāi)關(guān)元件時(shí)有一定的開(kāi)關(guān)損失，但比起串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源來(lái)要小得多，尤其是在輸入電源電壓和輸出電壓之間差 值較大時(shí)，更為明顯。因此，開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源有較高的效率。 3． 2 TRC 控制方式 按 TRC 控制原理，有三種方式，即脈沖寬度調(diào)制方式、脈沖頻率調(diào)制方式和混合調(diào)制方式。 1．脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation，縮寫(xiě)為 PWM) 脈沖寬度調(diào)制方式指開(kāi)關(guān)周期恒定，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式。因?yàn)橹芷诤愣?，濾波電路的設(shè)計(jì)容易。但在實(shí)際情況下，受開(kāi)關(guān)器件和控制電路的限制，在晶體管的開(kāi)通時(shí)間內(nèi)，有很小的 ONt 時(shí)間連續(xù)可調(diào)， 將使輸出電壓不穩(wěn)定，故在輸出端必須要有一定數(shù)量的假負(fù)載。 2．脈沖頻率調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，縮寫(xiě)為 PFM) 脈沖頻率調(diào)制方式是指導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)工作頻率來(lái)改變占空比的方式，因?yàn)?ONt ／ T 可以在很寬的范圍內(nèi)變化，輸出電壓的可調(diào)范圍較 PWM方式為大，同時(shí)，只需極小的假負(fù)載。當(dāng)然，濾波電路要能適應(yīng)較寬的頻段，因而，濾波器體積較大是其不足之處。 3．混合調(diào)制 混合調(diào)制方式是指導(dǎo)通脈沖寬度和開(kāi)關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。 ONt 和 T 相對(duì)地發(fā)生變化，在頻率變化不大的情況下，可以得到非常大的可調(diào)范圍的輸出電壓，因此，用來(lái)制作要求能寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓的實(shí)驗(yàn)室用電源非常合適。 20 3． 3 PWM 型穩(wěn)壓電源的特點(diǎn) 目前 TRC 控制變換型開(kāi)關(guān)電源是開(kāi)關(guān)電源的主流，尤以 PWM控制方式在目前最為盛行。 PWM 型穩(wěn)壓電源具有下列優(yōu)點(diǎn)： ① 體積小，重量輕：因?yàn)橛酶?頻變壓器取代笨重的工頻變壓器，所以體積、重量大大減小。 ② 效率高：由于采用開(kāi)關(guān)來(lái)控制穩(wěn)定輸出電壓，高壓開(kāi)關(guān)晶體管的功率損耗比串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源小，再者，從電網(wǎng)直接整流獲得高壓，在同樣輸出功率條件下，流過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管回路的電流小，因此，效率一般可高達(dá) 80%以上。 效率的提高不僅為電源和電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便，更主要是能源的節(jié)約，在今天“效率”已被視作為電源設(shè)備的一個(gè)十分重要的參數(shù)。 ③ 適應(yīng)性強(qiáng)：串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源功率晶體管的功率損耗將隨輸入電源電壓和輸出的電壓之差增大而增大，因而不能適應(yīng)輸 入電源和輸出電壓變動(dòng)大的場(chǎng)合。 PWM 型穩(wěn)壓電源高壓開(kāi)關(guān)晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只要脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍許可，它可以工作在電網(wǎng)和輸出電壓變動(dòng)幅度較大的場(chǎng)合。 ④ 可防止過(guò)電壓的危害：串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源，尤其是串聯(lián)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源，輸入電源電壓和輸出電壓的差值大，一旦串聯(lián)功率晶體管穿通損壞時(shí)，將會(huì)輸出危及負(fù)載的過(guò)電壓； PWM 型穩(wěn)壓電源在高壓開(kāi)關(guān)晶體管損壞時(shí) (不論是斷開(kāi)或擊穿 )，主回路將停止工作，沒(méi)有過(guò)電壓輸出。由控制電路故障引起的輸出電壓上升，過(guò)電壓保護(hù)電路可以在其上升到危險(xiǎn)電平 (視負(fù)載要求而確定 )前將電源切斷，對(duì)負(fù)載提供充分的保護(hù)。 這種特點(diǎn)對(duì)于像集成電路等對(duì)過(guò)電壓比較敏感的負(fù)載而言是非常有利的，這在集成電路被廣泛應(yīng)用的今天是非常重要的。 ⑤ 輸入交流突然停供時(shí)，輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)：由于輸入電壓高，電容儲(chǔ)存的能量大，再加上它能適應(yīng)輸入輸出電壓的變動(dòng)范圍大，因此，當(dāng)工頻電網(wǎng)突然掉電時(shí)，在額定負(fù)載條件下，它的輸出電壓保持在額定值的時(shí)間長(zhǎng)，一般可達(dá)20ms 以上，這就便于電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息保護(hù)，例如：計(jì)算機(jī)可以在 10ms 內(nèi)檢 21 測(cè)出交流斷電信號(hào)，然后用 5ms 時(shí)間進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)保存起來(lái)，以便在下次 來(lái)電時(shí)接著繼續(xù)運(yùn)算。 ⑥ 輸出電壓越低，輸出電流越大：因?yàn)椋@是一種功率轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)換同樣功率時(shí)，如果輸出低電壓，則可增大輸出電流，因此，如集成電路那樣要求提供低電壓，大電流的場(chǎng)合正