【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)指令實現(xiàn)遙開、遙關和遙調(diào)功能。 2． 3 高頻開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)點 高頻 開關電源的主要優(yōu)點就在于“高頻”二字，我們從電學中知道，鐵心電路與無鐵心電路的主要區(qū)別是： 鐵心電路 無鐵心電路 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 為鐵心的磁感應強度 S為鐵心線圈截 面積 以上公式是計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，截面積可以設計得越小，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。下面我們來看一下高頻開關電源與傳統(tǒng)的相控電源相比有哪些優(yōu)點。 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，可放在通信機房。 2．效率高，大于 90％ (相控 60％～ 80％ )。 3．功率因數(shù)高，大于 (相控 ～ )。 當配有功率因數(shù)校正電路 的高頻開關電源，功率因數(shù)近似于 1，而且對公共電網(wǎng)基本上無污染。 4．穩(wěn)壓精度可高達 ％ (相控 1％ )。 5．噪音低，開關頻率在 40kHz 以上，基本無噪音。 6．維護方便，因為開關電源是模塊式的，可以在運行中更換模塊，不影響通信 (而相控電源必需停機處理 )。 7．實行 N十 1冗余式配置，可靠性高。 15 8．擴容方便，在初建時，可預計終期容量機架，整流模塊可根據(jù)擴容計劃，逐步增加，一般新增一個模塊用 15min 即可投入運行。 9．調(diào)試方便，內(nèi)設模擬測試電路，無需另配假負載 。 10．配有微機控制，遠端接口，組成智能化電源設備便于集中監(jiān)控，無人值守。 11．對交流輸入要求低，在三相嚴重不平衡時，甚致缺了一相，整流及系統(tǒng)仍能輸出提供負載穩(wěn)定的直流電 (唯容量相應減小 )。 12．自動化程度高，具有智能設備的性能，一般相控電源難于做到的，開關電源均能做到。 由于高頻開關電源有以上這些優(yōu)點，必然將取代相控電源，這是在通信電源的一次革命。 2． 4 高頻開關整流器的分類 目前，在國內(nèi)外有關高頻開關整流器的文獻和產(chǎn)品樣本中，經(jīng)常可以見到不同種類高頻開關整流器的名 稱，這是由于命名者力圖反映所論高頻開關整流器的特色，從不同角度按主要電路結(jié)構(gòu)、控制方式和所采用的關鍵元器件不同而引起的，歸納起來，主要可以分為以下幾類： 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)制指在開關頻率恒定的情況下，將二次整流后的輸出電壓的波動變換為脈沖寬度的變化，從而改變脈沖的占空比，驅(qū)動開關器件，使輸出電壓穩(wěn)定。 脈沖頻率調(diào)制指在開關脈沖寬度恒定的情況下，將二次整流后的輸出電壓的波動變換為頻率的變化，從而改變脈沖的占空比，驅(qū)動開關器件，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．按采用的開關技術(shù)分，有硬開關和軟開關。 采用硬開關技術(shù)設計的整流器，一般稱之為 SMR（ Switching Mode Recitifier），通常所指的開關整流器 SMR，就是采用硬開關技術(shù)設計的。其主要特點是：開關整流器中的功率開關器件工作在強迫關斷（即電流不為 0）和強迫導通（即電壓不為 0）方式。顯然，采用硬開關技術(shù)設計的開關整流器，在開關器件的 導通和截止期間存在一定的功率損耗。另外，其開關頻率的提高也受到限制，一般控制在 300KHz 左右。目前，硬開技術(shù)已完全成熟，如何減少開關器件的損耗，提高整機的效率有許多有效的措施，包括很多專利技術(shù)，都證明是行之有效的。比較好的是整機效率可達到 91%以上。由于硬開關技術(shù)具備技術(shù)成熟，對高頻信號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，因此已廣泛應用于通信用開關整流器中，硬開關技術(shù)仍然是主流。 軟開關技術(shù)，即通常所指的諧振型整流器，就是采用軟開關技術(shù)設計的。諧振型技術(shù)主要是使各開關器件實現(xiàn)零電 壓或零電流導通或截止，從而減少開關損耗，提高開關頻率。目前目前諧振型變換器的工作頻率可達 10MHz以上。在大多數(shù)場合下，我們按有源開關的過零開關方式分類，將諧振型開關技術(shù)分為零電流開關型 —— ZCS 和零電壓開關型 —— ZVS兩大類。 3．按交流電的輸入類型分，有單相與三相之分。 17 第三章 時間比率控制穩(wěn)壓原理和特點 3． 1 時間比率控制穩(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，有下述關系： WLRIEV ??0 （ 3— 1） 當 E 或 LR 變化時，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，因為晶體管工作在輸出特性的線性區(qū)，所以稱為串聯(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，輸入電源向負載連續(xù)地提供能量，這是它的特點之一。 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， E 和 0V 之間的差值越大，流過晶體管的電流越大，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、開關型穩(wěn)壓電源 開關型穩(wěn)壓電源的示意圖如圖 3— 2 所示。開關 K 以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在開關 K 接通時，輸入電源 E 通過開關 K 和濾波電路提供給負載LR ，在整個開關接通期間，電源互向負載提供能量；當開關 K 斷開時，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?，輸入電源向負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，為使負載能得到連續(xù)的能量供給，開關型穩(wěn) 壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。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 用以儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感 L 中的能量通過二極管 D 釋放給負載，使負載得到連續(xù)而 穩(wěn)定的能量，因二極管 D 使負載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。 圖 3— 2 開關型穩(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 為開關每次接通的時間， T 為開關通斷的工作周期 (即開關接通時間ONt 和關斷時間 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，改變開關接通時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 負載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整 ONt 和 T 的比例便能使輸出電壓 0V 維持不變。 改變接通時間 ONt 和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制” (Time Ratio Control，縮寫為 TRC)。 用功率晶體管作為開關元件時有一定的開關損失，但比起串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源來要小得多，尤其是在輸入電源電壓和輸出電壓之間差 值較大時，更為明顯。因此，開關型穩(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，縮寫為 PWM) 脈沖寬度調(diào)制方式指開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。因為周期恒定，濾波電路的設計容易。但在實際情況下，受開關器件和控制電路的限制，在晶體管的開通時間內(nèi)，有很小的 ONt 時間連續(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)量的假負載。 2．脈沖頻率調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，縮寫為 PFM) 脈沖頻率調(diào)制方式是指導通脈沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式，因為 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，只需極小的假負載。當然，濾波電路要能適應較寬的頻段，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)制方式是指導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，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，用來制作要求能寬范圍調(diào)節(jié)輸出電壓的實驗室用電源非常合適。 20 3． 3 PWM 型穩(wěn)壓電源的特點 目前 TRC 控制變換型開關電源是開關電源的主流，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： ① 體積小，重量輕：因為用高 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：由于采用開關來控制穩(wěn)定輸出電壓，高壓開關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，流過開關晶體管回路的電流小，因此，效率一般可高達 80%以上。 效率的提高不僅為電源和電子設備的散熱設計帶來了方便，更主要是能源的節(jié)約，在今天“效率”已被視作為電源設備的一個十分重要的參數(shù)。 ③ 適應性強：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，因而不能適應輸 入電源和輸出電壓變動大的場合。 PWM 型穩(wěn)壓電源高壓開關晶體管工作在開關狀態(tài)，只要脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍許可，它可以工作在電網(wǎng)和輸出電壓變動幅度較大的場合。 ④ 可防止過電壓的危害：串聯(lián)線性調(diào)整型穩(wěn)壓電源，尤其是串聯(lián)開關型穩(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，將會輸出危及負載的過電壓； PWM 型穩(wěn)壓電源在高壓開關晶體管損壞時 (不論是斷開或擊穿 )，主回路將停止工作，沒有過電壓輸出。由控制電路故障引起的輸出電壓上升，過電壓保護電路可以在其上升到危險電平 (視負載要求而確定 )前將電源切斷，對負載提供充分的保護。 這種特點對于像集成電路等對過電壓比較敏感的負載而言是非常有利的，這在集成電路被廣泛應用的今天是非常重要的。 ⑤ 輸入交流突然停供時，輸出電壓保持時間長：由于輸入電壓高，電容儲存的能量大，再加上它能適應輸入輸出電壓的變動范圍大，因此，當工頻電網(wǎng)突然掉電時，在額定負載條件下，它的輸出電壓保持在額定值的時間長，一般可達20ms 以上，這就便于電子計算機實現(xiàn)信息保護，例如：計算機可以在 10ms 內(nèi)檢 21 測出交流斷電信號，然后用 5ms 時間進行處理，將數(shù)據(jù)保存起來，以便在下次 來電時接著繼續(xù)運算。 ⑥ 輸出電壓越低，輸出電流越大：因為，這是一種功率轉(zhuǎn)換裝置，當轉(zhuǎn)換同樣功率時，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，大電流的場合正