通信系统中开关电源及其应用与发展

2020-04-26张文威

通信电源技术 2020年23期

张文威

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州 510310）

0 引言

为保障通信系统能够稳定运行，必须关注开关电源这一核心系统，同时加强其运行维护与管理工作。以科学严谨的态度面对存在或潜在的开关电源故障问题，科学运维以排除故障，避免故障困难带来的威胁与损失。通信系统不断发展与完善，开关电源系统水平也逐步提高，目前高频开关电源系统呈现出了典型的智能化趋势，但智能化及其运用的过程中也出现了一些明显的问题，需要在智能化发展的同时结合科学方法不断优化。视频监控系统已经开始应用在开关电源系统中，其采用控制端的控制逻辑实现分布式监控系统的控制，每个分布式节点均能够实现对不同站点的数据监控。而这种分布式的监控模式能够实现点对点的监控，监控参数包括气压情况和机房空调状况等，监测到的数据经系统处理之后上传到控制中心进行进一步分析。结合自动化管理技术实现对电源的智能监控，明确不同站点的运行情况和潜在故障，以便发现问题的时候能够快速响应，及时解决，保障开关电源和整个通信系统的稳定运行[1-3]。

1 通信系统中的开关电源

在实际通信系统应用中主要有3大类常用通信电源，包括线性电源、相控电源以及开关电源。作为典型开关电源，电源功率调整管工作在高频开关状态。开关电源的工作频率一般较高，常见频率超过40 kHz，面对如此高频人们往往不能通过听觉来察觉，因此其具有典型无噪音的优势。除此之外，还具有小巧便捷的优势，保证其能以小体积实现和其他通信设备的协同运行，另外具有超过90%的工作效率，节能效果显著。开关电源系统涵盖直流配电部分、监控单元、交流配电部分以及整流部分，其工作状态交流配电模块会被输入三相交流电，交流配电模块的主要作用是实现交流电源的分配，经过整流之后实现了交流向直流的转换，然后直流电进入到直流配电模块，最终实现在其他负载中的分配[4]。

2 无线通信设备中应用开关电源的基本原理

开关电源在无线通信设备中的主要作用是电压变压处理，其中DC/DC变换器开关电源是最常用的一种元器件。利用该元器件同时结合无线通信设备系统要求，能够实现开关电源系统的电压升降调整，实现对电压振动波形的有效控制与调整，这样无线通信系统中的无线通信设备能够高质量运行并实现功能。开关电源应用基本原理如图1所示。

图1 开关电源应用基本原理图

以DC/DC变换器为例进行分析，在无线通信设备中应用的基本原理是电压变换机制，通过科学的电路系统实现反馈控制。隔离变压器和非隔离变压器是变压器两大常见类型，隔离变压器主要是实现了直流输入和输出的有效分开，非隔离变压器主要是实现了电压升降过程中输入和输出的连接。以下就隔离模式变压电路和非隔离模式变压电路的工作原理进行解析。

升压电路过程借助开关闭合线圈实现对电路的断开处理，在负载中的直接表现是负载有效释放，然后电路中的电流会持续在线圈中流通，结合开关闭合实现反向电压处理操作，输入电压得到有效整合，电压也实现了低压向高压的科学转化[5]。

降压电路过程功能的实现主要是借助了输入存储电压和输出存储电压在开关闭合过程中存在的压力差，引入快速断开的方法有效实现接地二极管输出端压力的有效释放。在实际电压调整的过程中，为保障其运行的可靠稳定性，需要科学比对基准电压和直流输出，这种方式能够发现电压波动误差值，根据误差值调整实施措施。开关元件的控制需要统计分析开关时间的比例，基于此实现精准控制，开关元件的精准控制对电压稳定和平稳输出具有重要意义。另外在开关元件运行中还可能存在噪声问题，尤其是高频情况下可能会对电源内部的原有噪声进一步产生不良影响，因此必须在开关电源应用中配备相应的外围电路，以此进行滤波规避噪声影响。同时还可以增加功能保护电路解决这一问题，常见的包括防冲击电流保护电路和过电流保护电路等[6-8]。

3 开关电源的分类及常用开关电源

3.1 开关电源的两大类

作为开关电源典型两大类，AC/DC和DC/DC在及时方面具有一定差别。和AC/DC相比DC/DC技术发展较早并且逐渐成熟，成为了目前国际上共识的通用标准技术之一。AC/DC技术起步较晚且由于自身技术特点，模块化进程是未来发展趋势，但这一进程困难重重。

DC/DC变化在直流电路中具有重要作用，能够实现固定电压向直流电压的转变。而DC/DC斩波器的工作模式也主要包括频率调试和脉宽调制两种，脉宽调制主要调节开关管导通时间Ton，开关周期Ts保持不变，而频率调制主要调节Ts，Ton保持不变。常见斩波电路包括Buck电路、Boost电路、Cuk电路以及Buck-Boost电路[9]。功率流向是AC/DC变换的核心所在，整流过程实际是功率从电源到负载的整个过程，有源逆变正好相反，是从负载到电源的过程。在AC/DC变换器中，其接收到的是交流电，为保证系统稳定运行需要较大的整流滤波器支持，进一步增加了AC/DC变换器的体积。由于工作象限的差异，AC/DC变换器中包括第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限的差异。以相数为基准进行分类，又有单相、三相以及多相的区分，此外按照整流方式的标准进行分类，AC/DC变换器又可以分为全波整流变换器和半波整流变换器。

3.2 常用的开关电源技术

并联技术作为供电体中的关键技术之一，可以为保障整流模块的顺利运行提供支持。模块长时间满载运行问题的解决由均流技术提供了可能，通过该技术能够保证能量在不同模块之间的科学分配，开关电源的故障发生概率会因此而减少，电源的使用寿命也将由此延长。软开关技术的进一步发展促进了DC/DC变换器的应用发展，性能等方面均得到有效提升，尤其是变换效率和变换增益方面效果显著，开关损耗也会显著降低，电源内部的整体工作环境也会因软开关技术的应用得到有效优化。

开关式稳压器对开关电源系统具有重要作用，其具有高效性和继承性特征，保证了超过90%的工作效率。利用芯片技术和高科技技术实现了对保护电路、控制器以及功率输出器的集成，对小体积具有重要意义。单片开关电源和开关电源稳压器相比其集成度更高，将更多的必要电路集成在芯片内部。随着技术发展和革新，无工频变压器式开关电源被研发，和前面提到的两种开关电源相比能耗更低，和普通开关电源相比能耗降低两倍左右[10]。

4 开关电源的发展要求

4.1 稳定性、可靠性要不断提高

随着互联网技术、计算机技术以及智能技术不断发展，技术的革新也提高了设备的灵敏度。当前的通信设备对电压起伏、噪声电压以及顺便电压的感知十分灵敏，如果在开关电源系统中存在这些问题，可能会对整个通信系统产生灾难性的不良影响。开关电源问题和故障对系统造成的影响不容忽视，会波及到整个通信系统，严重的情况下可能波及通信枢纽，导致整个通信系统崩溃。

4.2 向自动化、小型化不断发展

在开关电源运行中必须进行及时、有效以及科学的运维，通过实施监测、故障监测与处理来有效规避潜在威胁可能造成的重大损失。同时在开关电源运行中越来越要求小型化和集成化，以便应用更小体积与集成化的设备和元件，同时免人工维护和全封闭也是未来重要发展方向。

4.3 具有高频化、高效率的特点

电力系统维护涉及的领域和范围较广，功耗也十分巨大，为有效降低能耗，建议提高供电频率。极大提高供电频率的同时，有效降低元件的质量和体积，材料成本也因此降低。

5 新形势下无线通信设备中开关电源的发展方向探析

5.1 数字化方向发展

目前，各个领域均开始引入智能技术进入智能化时代，大数据技术也开始应用在通信领域和电力领域。这些新技术的应用暴露出传统功率电子技术中存在的一些问题和不足。国家无线通信领域为进一步发展电路体系和技术，在设备建设中引入了数字化技术。开关电源技术中数字化技术的科学应用促进了其进一步升级，未来发展中必将构建智能化模型实现对其智能化控制。