【導讀】通信電源是通信設備的重要組成部分，在現(xiàn)代通信中占有極其重要的作用。本書主要介紹了開關電源、UPS、化學電源的基本工作原理和維護使用方法，可作為電源設備維修人員和通信專業(yè)技術人員的培訓教材和參考資料。在編寫過程中，因作者水平有限，錯誤之處在所難免，請大家批評指正。一個通信局（站），除了對主機供電不允許間斷的電源。統(tǒng)是通信系統(tǒng)的心臟，對于通信系統(tǒng)尤其重要，一旦電源中斷，將造成嚴重后果。?？煽抗╇姡山涣麟娫垂╇姷耐ㄐ旁O備都應當采用交流不間斷電源。直流供電系統(tǒng)中，應當采用整流器與電池并聯(lián)浮充供電方式。此外還必須提高各。通信電源設備的平均無故障時間可達20年。電壓波形畸變率應小于5％。和雜音是標志電能質量的兩個重要指標。此外，峰—峰雜音、寬頻雜音、離散雜音等指標也應符合有關規(guī)定。組，當市電中斷時，這種油機發(fā)電機組能自動起動。交流電分別送到整流器、照明設備和空調(diào)裝置。

　　

【正文】 （ b）交流并聯(lián)電路 圖 5— 1 交流電路及其向量圖 CU rU LU rU RU rU I rU ABU rU CLX UUU ?? ? RU rU R rU L rU C rU A rU LU rU CU rU B rU I rU ABU rU ABU rU ? RI rU LI rU CI rU CLX III ?? I rU R rU L rU C rU A rU B rU LI rU RI rU CI rU I rU 30 圖 5— 1(a)是一具有 R 、 L 、 C 參數(shù)的交流串 聯(lián)電路及其向量圖，元件電阻上的電壓 RU 與 I 同相，電感上的電壓 LU 越前 I 90176。 ，電容上的電壓 CU 滯后于 I 90176。 ， CLX UUU ?? ，稱之謂無功電壓，有功電壓與無功電壓的合成 ABU ，即電路 端電壓，它與電 路電流之間的相位差，即電壓越前于電流的相角 ? ，圖 5— 1(b)是 R 、 L 、 C 并聯(lián)電路及其向量圖， RI 為有功電流，與電路端電壓 ABU 同相， LI滯后于 ABU 90176。 ， CI 越前于 ABU 90176。 ， CLX III ?? 為無功電流。 根據(jù)功率的定義式 UIP? ，在交流電路中，因具有多種功率，為了區(qū)別，把電路電壓與電流之乘積稱之謂視在功率，用 S 表示，從 5— 1 向量圖中可以看出，交流電路中三種不同功率之間的關系，可用圖 5— 2 功率三角形表示。 圖 5— 2 功率三角形 圖中 ? 角，是電路電壓越前電流的相位差角，從功率三角形可以得出在交流電路中，各種功率之間的關系式為 22222 )( CL PQPS ????? 為了區(qū)別于三種不同功率的測量單位，有功功率 P 的測量單位單為 W。無功功率Q 單位為乏，視在功率 S 單位為 VA。 二、功率因數(shù) 功率因數(shù)的定義是有功功率與視在功率的比值，用數(shù)學式表達如下。 SP??cos 從上式可知 ?? c o sc o s UISP ?? ，如果功率因數(shù)越大，從外電路提供的電能轉變?yōu)槠渌娔艿睦寐示驮酱蟆? 例如：要供給負載 1000W 的功率，當 ?? 時，電網(wǎng)需要輸出 1430VA?co sSIUP R ?? )( CL UUIQ ?? UIS? 31 的功率 ( 1430 os ??? ?PSVA)，為此提高功率因數(shù)，也是供電系統(tǒng)的一項重要工作。以上所表達的功率因數(shù)稱位移因數(shù) (基波功率因數(shù) )。 當輸入電流含有諧波分量時，基波電流有效值就不同于電網(wǎng)電流有效值 ，我們將基波電流的有效值 1I 與電網(wǎng)電流有效值 RI 之比稱為謂電網(wǎng)電流基波。因數(shù)(畸變因數(shù) )用 ? 表示RII1??。 則功率因數(shù)可用下式表示： ????c osc osc os11????RRLLIIIUIUSPPF 從上式看出，當輸入電流含有諧波分量時， RII ?1 , ?? cos?PF ，當輸入電流無諧波的理想 條件下， RII?1 , 11 ??RII? , ??? co sco s ??PF 。因此，則功率因數(shù)又可定義為基波因數(shù)和電流電壓位移因數(shù)的乘積。 5． 3 功率因數(shù)的提高與改善 一、傳統(tǒng)開關電源存在的問題 開關電源因省去了笨重的工頻變壓器和低頻濾波電感線圈，從而獲得體積小，重量輕和效率高等主要優(yōu)點，但傳統(tǒng)的開關電源是交流輸入直接整流后，緊跟著大電容濾波，使輸入電流呈脈沖波形，如圖 7— 3所示： 功率因數(shù)很低，一般 為 左右，由于開關電源本身是非線性負載，諧波電流很大，特別是其中三次諧波，尤為突出，這不僅給公共電網(wǎng)帶來很多危害，而且對用電單位也增加很多投資， 主要歸納有以下四點： ① 諧波嚴重污染公共電網(wǎng)，干擾其它用電設備。 ② 從圖 5— 1向量圖中可以看出，當時，輸入電流將全部作用于有功電流 rI ，因此如 ?cos 小，會增大輸入電流在傳輸線上的衰耗。 32 (a)交流直接整流 (單相橋式 )電路圖 (b)傳統(tǒng) 開關電源輸入整流電路電壓、電流波形 圖中 cu 為電容 C 兩端電壓， inu 為交流輸入電壓， 1i 為交流輸入電流， 2i 為整流后輸出直流脈動電流， ini 為理想的交流輸入電流 圖 5— 3 傳統(tǒng)開關電源 ③ 增加了前級設備的功率容量，如 UPS ，發(fā)電機組等，這就將提高了基建投資。 ④ 當采用三相四線制供電時，三次諧波在中線中是同相位，合成后中線電流很大，有可能超過相線電流，而中線配制一般遠小于相線線經(jīng)，故會造成中線嚴重過載，而且按安全規(guī)定，中線無保護裝置，這將造成中線過熱，引起火災事故。 由此可見，傳統(tǒng)的開關電源，不僅對公共電網(wǎng)有嚴重影響，而且對用戶也將增加投資費用隨著開關電源的普及應用，有關部門作出了相應規(guī)定，限制設備對公用電網(wǎng)污染的程度。國際電工委員會也制訂了如 IEC5552 等法規(guī)對用電設備的波形失真，作了具體限制 的規(guī)定，我國郵電部門對通訊用開關電源也有具體要求，為此，傳統(tǒng)的開關電源已不適應現(xiàn)代通訊的要求。 二、功率因數(shù)校正的基本方法 在開關型電源中，功率因數(shù)校正的基本方法一般有兩種：無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。采用無源功率因數(shù)校正方法時，應在開關電源輸入端加入電感量很大的低頻電感，以便減小濾波電容充電電流的尖峰。這種校正方法比較簡單，但是校正效果不是很理想，通常經(jīng)無源功率因數(shù)校正后，功率因數(shù)可達到 。此外，采用無源校正時，功率因數(shù)校正電感的何種很大，增加了開關電源的體積。 1DV 4DV 3DV 2DV inU C + R cu 2i 1i ini 2i 1i cu 33 而有源功率因數(shù)校正（ PFC）法直接利用有源開關式 DCAC/ 變換技術，直接使輸入電流成為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，可以使功率因數(shù)達到 。 5． 4 有源功率因數(shù)校正技術 通常的 PFC 電路是在橋式整流之后，增加一個校正環(huán)節(jié) (Boost PFC 電路 )，使輸入電流與電網(wǎng)電壓幾乎完全同相的正弦波，而且，輸入的諧波分量可減少到5％以下，同時 Boost PFC 電路輸出直流電壓非常穩(wěn)定，因此簡化了后級的DCDC/ 變換電路結構，提高了可靠性。 一 、 Boost PFC 電路結構 圖 5— 4是 Boost PFC 原理框圖： Boost 電路是在整流橋輸出端串聯(lián)一電感 L ，使輸出電壓 0U 高于整流橋輸出電壓 U 峰值的穩(wěn)定直流電壓。 圖 5— 4 Boost PFC原理框圖 Boost PFC 電路的工作原理： MOS 管 TV (由控制電路控制 )導通時，輸入電壓U 全部加在電感 L 上，隨著輸入電壓 U 的增大，通過電感 L 的電流 LI ，也隨之上升，電感所存儲的能量為 (1／ 2)L 2LI ；當控制電路控制 MOS 管 TV 關斷時，電感產(chǎn)生極性如圖 7— 4所示的感應電壓 LU ，此時， MOS 管 TV 二端的電壓為 LUU? ，該電壓通過二極管 DV 送到電容 C ，因此 Boost 電路輸出電壓 0U 必大于整流輸入峰值電壓。故又可把 Boost 電路稱之謂升壓電路。 二、用 Boost 變換器構成的 PFC 電路分類 根據(jù) PFC 電路輸入電流檢測和控制方 式，用 Boost 變換器構成的 PFC電路可LV 控制電路 0U C DV L TV S LI V 1M + + ― inU 34 分成：電感電流 LI 連續(xù)工作 (CCM)和電感電流 LI 不連續(xù)工作 (DCM)兩大類。 CCM 是采用乘法器方法來實現(xiàn) PFC，而 DCM 則用電壓跟隨器方法來實現(xiàn) PFC。 （ a） CCM （ b） DCM 圖 5— 5 用 Boost變換器構成的兩種方式框圖 圖 5— 5(a)是電感電流連續(xù)工作 (CCM)方式電原理圖。圖 5— 5(b)是電感電流不連續(xù)工作 (DCM)方 式電原理框圖。 采用跟隨器方法比較簡單、方便，但存在著幾個問題： (1)功率因數(shù)與輸入電壓 inU 和輸出電壓 0U 之比 ( 0/UUin?? )有關。即功率因數(shù)將隨輸入電壓的變化影響。同時，輸入電流波形也將隨 ? 的增大而失真度增大。 (2)開關峰值電流大， (在同容量情況下， DCM 中開關器件通過峰值電流是 CCM+ ― + ― 乘法器 LPE + ― 0U inU L DV C + freU PWM + ― 0U inU L DV C + ― + IC LPF freU 35 的兩倍 )，由此導致通態(tài)損耗增加，因 此，只適用于小功率的場合，對于大功率電路，一般采用 CCM 方式。 3． CCM 方式的幾種 PFC 電路 (1)可變回差控制技術：圖 5— 6 是可變回差控制技術 Boost PFC 原理框圖。 圖中電流控制器的一個輸入是通過 1R 2R 電阻分壓中取樣，獲得全橋整流器輸出電壓反饋取樣電壓 1fU ( 2inU )，另一由電流環(huán) S 取得電感電流 LI 。在電流控制器中設定高、低兩個基準電流 HI 和 dI ，如圖 5— 6所示。 圖 5— 6 可變回差控制的 Boost PFC方框圖 當電感電流 LI 上升到 HI 時，將開關管關斷，此時 LI 經(jīng)二極管 DV 向電容 C 充電， LI 逐漸減少，當 LI 小到 dI 時，開關管 TV 導通， LI 又線性上升，當上升到 HI 時，開關管再次關斷。如此周而復始，形成圖 5— 7 中波形，圖中 I 為 LI 的平均值，不難看出該曲線與整流后輸出電壓波形 U 完全一致，與交流輸入正弦波完全相同，從而達到功率因數(shù)近似于 l 的目的。 在波形圖中 (開關頻率很低，這是為了使讀者容易看清各種波形間的關系而假設的 )，實用電路一般為數(shù)十千赫，由于電感電路的回差是變化的，因而其頻率也將隨著改變。 電感電流 LI 的最大脈動出現(xiàn)在交流峰值處，圖 5— 6 中電壓環(huán)使 Boost 電路誤差放大器 freU 1fU + ― 0U inU L DV C + 驅動電路 電流控制器 乘法器 ― + U 2R 1R LI TV 4R 3R 2inU 1inU fU S 電壓環(huán) 36 輸出電壓反饋信號 fU 與設定電壓 freU 之間誤差比較，并進行放大輸入乘法器，與整流輸出電壓相乘，送至電流控制器，由控制器控制開關管，設定電感電流上、下參考包絡線 ，假如輸出電壓偏高，誤差信號下降，使電感電流上、下包絡線幅值變小，強迫輸出電壓下降。假如輸出電壓偏低，誤差電壓上升，從而將電感電流的上、下包絡線幅值增大，因此電壓環(huán)能使 Boost 輸出電壓 0V 穩(wěn)定在某一數(shù)值，而獲得穩(wěn)定的直流輸出。另外，乘法器輸入端 2inU 信號從全橋整流器輸出端1R 、 2R 分壓取樣，經(jīng)電流控制器使上、下包絡線 HI 和 dI 與輸入電壓 inu 同相，從而使 LI 的平均值 I 與 U 同相，達到功率因數(shù)近似 1 的 效果。 圖中 ~inu 交流輸入電壓波形 u 全橋整流輸出電壓波形 HI 低基準線波形 LI 通過電感 L 的電流 I 是 LI 的平均值 圖 5— 7 回差 Boost PFC電路電流電壓波形圖 這種電路的缺點是：開 關頻率受負載的影響較大，同時也會受輸入電壓變化而變化，對 Boost 輸出濾波器設計帶來很大困難。 (2)恒頻峰值電流控制技術：圖 5— 8 是恒頻峰值電流控制框圖。恒頻峰值電流控制電路的電流取樣來自 Boost 開關支路，乘法器輸出作為比較器 1K 的基準電流，這一基準電流是由整流橋輸出電壓 1R 、 2R 取樣與電壓環(huán)誤差放大器 2K 輸出相乘得到，時鐘發(fā)生器輸出信號 去觸發(fā) D 觸發(fā)器，使其輸出高電平去驅動開關管 TV 導通。 iu ~inu u dI HI LI I 37