应用技术

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通信用高频开关电源技术发展

刘伟

通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源，而将直流一直

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流（ＤＣ，ＤＣ）变换器称为二次电源。随着大规模集成电路的发展．要求电源模块实现小型化．因而需要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构．这就对高频开关电源技术提出了更高的要求。

通信用高频开关电源技术的发展基本上可以体现在几个方面：变换器拓扑、建模与仿真、数字化控制及磁集成。

一、变换器拓扑

软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器效率的提高：采用ＰＦＣ技术可以提高ＡＣ／ＤＣ变换器的输入功率因数．减少对电网的谐波污染：而多电平技术主要应用在通信电源＝三相输入变换器中．可以有效降低开关管的电压应力。为了降低变换器的体积．需要提高开关频率而实现高的功率密度．必须使用较小尺寸的磁性材料及被动元件．但是提高频率将使ＭＯＳＦＥＩＴ的开关损耗与驱动损耗大幅度增加．而软开关技术的应用可以降低开关损耗．目前的通信电源Ｔ程应用最为广泛的是有源钳位ＺＶＳ技术、上世纪９０年代初诞生的ＺＶＳ移相全桥技术及９０年代后期提出的同步整流技术。有源箝位技术历经三代．且都申报了专利。第一代为美国ＶＩＣＯＲ公司的有源箝位ＺＶＳ技术．将ＤＣ，ＤＣ的工作频率提高到ｌＭＨＺ．然而其转换效率未超过９０％。为了降低第一代有源箝位技术的成本．ＩＰＤ公司申报了第二代有源箝位技术专利．其采用Ｐ沟道ＭＯＳＦＥＴ．并在变压器二次侧用于ｆｏｒｗａｒｄ电路拓扑的有源箝位．这使产品成本减低很多。但这种方法形成的ＭＯＳＦ’ＥＴ的零电压开关（ＺＶＳ）边界条件较窄。而且ＰＭＯＳ工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白自消耗掉．一位美籍华人工程师于２００１年申请了第三代有源箝位技术专利．其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载．所以实现了更高的转换效率。从２０世纪９０年代中期，ＺＶＳ移相全桥软开关技术已广泛地应用于中、大功率电源领域。该项技术在ＭＯＳＦＥＴ的开关速度不太理想时。对变换器效率的提升起了很大作用，但其缺点也不少。第，一个缺点是增加一个谐振电感。其导致一定的体积与损耗．并且谐振电感的电气参数需要保持一致性．这在制造过程中是比较难控制的：第二个缺点是丢失了有效的占空比。同步整流包括自驱动与外部驱动。自驱动同步整流方法简单易行．但是次级电压波形容易受到变压器漏感等诸多因素的影响，造成批量生产时可靠性较低。而较少应用于实际产品中。美国电力电子系统中心（ＣＰＥＳ）研究了各种谐振驱动拓扑以降低驱动损耗．并于１９９７年提出一种新型的同步整流电路．称为准方波同步整流．可以较大地降低同步整流管体二极管

１２６匪卿圜２０１１年第５期

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的导通损耗与反向恢复损耗．并且容易实现初级主开关管的软开关。

二、建模与仿真

开关型变换器主要有小信号与大信号分析两种建模方法。

小信号分析法：主要是状态空间平均法．由美国加里福

尼亚理工学院的Ｒ．Ｄ．Ｍｉｄｄｌｅｂｒｏｏｋ于１９７６年提出．可以说这是电力电子学领域建模分析的第一个真正意义的重大突破。平均法的缺点是明显的．对信号进行了平均处理而不能有效地进行纹波分析：不能准确地进行稳定性分析；对谐振类变换器可能不大适合；关键的一点是，平均法所得出的模型与开关频率无关．且适用条件是电路中的电感电容等产生的自然频率必须要远低于开关频率。准确性才会较高。大信号分析法：有解析法，相平面法，大信号等效电路模型法，开关信号流法。ｎ次谐波置端口模型法，ＫＢＭ法及通用平均法。还有一个是我国华南理工大学教授丘水生先生于１９９４年提出的等效小参量信号分析法．不仅适用于ＰＷＭ变换器。也适用于谐振类变换器．并且能够进行输出的纹波分析。

三、数字化控制

数字化的简单应用主要是保护与监控电路．以及与系统的通信，目前已大量地应用于通信电源系统中。其可以取代很多模拟电路。完成电源的起动、输入与输出的过、欠压保护、输出的过流与短路保护，及过热保护等，通过特定的介面电路。也能完成与系统间的通讯与显示。数字化的更先进应用包含不但实现完善的保护与监控功能。也能输出ＰＷＭ波。通过驱动电路控制功率开关器件。并实现闭环控制功能。

四、磁集成

随着开关频率的提高。开关变换器的体积随之减少。功率密度也得到大幅提升．但开关损耗将随之增加。并且将使用更多的磁性器件．因而占据更多的空问。常规的磁性元件设计方法极其繁琐且需要从不同的角度来考虑．如磁心的大小选择。材质与绕组的确定，及铁损和铜损的评估等。但是磁集成技术除此之外。还必须考虑磁通不平衡的问题。因为磁通分布在铁心的每一部分其等效总磁通量是不同的．有些部分可能会提前饱和。因此．磁性器件集成的分析与研究将会更加复杂与困难。但是，其所带来的高功率密度的优势．必是将来通信电源的一大发展趋势。

通信用高频开关电源向集成化、小型化方向发展将是未来的主要趋势，功率密度将越来越大．对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有出现新的突破之前．重大的技术进展可能很难实现．技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量．因而工艺技术也将会在电源制造中占的地位越来越高。另外数字化控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向．这将有赖于ＤＳＰ运行速度和抗干扰技术的进一步提高。

（作者单位：中国移动通信集团河北有限公司沧州分公司）