1集中供電方式通信電源系統(tǒng)
為了保證穩(wěn)定、可靠,、安全供電,，通信電源系統(tǒng)可采用集中供電、分散供電,、混合供電或一體化供電方式,。其中集中供電方式通信電源系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
圖1集中供電通信電源系統(tǒng)示意圖
目前,，國內(nèi)外通信電源仍然大都采用模擬和數(shù)字相結(jié)合的控制方式,，大量應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的還主要是保護(hù)和監(jiān)控電路以及與系統(tǒng)的通信，完成電源的起動(dòng),、輸入與輸出的過,、欠壓保護(hù)，輸出的過流與短路保護(hù)及過熱保護(hù)等,，通過特定的界面電路,，也能完成與系統(tǒng)間的通信與顯示，但PWM部分仍然采用專門的模擬芯片,。如中興和華為目前還是采用傳統(tǒng)的模擬技術(shù),，艾默生已有部分產(chǎn)品采用了全數(shù)字的控制，但其EMC,、環(huán)路穩(wěn)定性等問題還有待于改善,。
本文針對(duì)通信電源的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，采用倍流整流的移相全橋變換器作為主電路,，進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算,，并設(shè)計(jì)出樣機(jī)進(jìn)行分析仿真結(jié)果。
2改進(jìn)型倍流整流移相全橋變換器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)
倍流整流主電路結(jié)構(gòu)如所圖2示,。該電路由全橋逆變和倍流整流電路組成,，根據(jù)負(fù)載大小的不同，該電路可工作在斷續(xù)和連續(xù)模式,，在斷續(xù)狀態(tài)下,，副邊二極管自然換流,，沒有反向恢復(fù)引起的電壓尖峰，也沒有占空比丟失的情況發(fā)生,，但占空比較小,，效率較低。
圖2倍流整流主電路
在連續(xù)模式下(如圖3所示),，要從實(shí)現(xiàn)副邊整流二極管的自然換流以及實(shí)現(xiàn)滯后管ZVS兩個(gè)方面著手,。而實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)的關(guān)鍵在于阻斷電容和輸出濾波電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖3電路連續(xù)模式波形圖
下面對(duì)這兩個(gè)元件的選擇作出分析,。
2.1阻斷電容設(shè)計(jì)
阻斷電容上的電壓使得原邊電流在零電平時(shí)快速下降,，所以副邊整流二極管在副邊電壓為零階段能換流結(jié)束，從而避免了二極管的反向恢復(fù)問題,，并且二極管換流結(jié)束后,，由于二極管的自然阻斷能力，電感上的電流反向后可以流經(jīng)副邊,，從而折射回原邊給滯后管提供能量實(shí)現(xiàn)ZVS,。從這個(gè)意義上來說，阻斷電容越小越好,。但是,，在中的t6時(shí)刻，變壓器原邊繞組上的電壓最大,，即Vpmax=-(Vin-Vcbp),，Vcbp是阻斷電容上的最大電壓，副邊整流二極管上的電壓應(yīng)力為：
所以阻斷電容越小,，其上的電壓也會(huì)越高,，從而增大了副邊整流二極管的電壓應(yīng)力。
從這個(gè)意義上來說,，阻斷電容不宜過小。所以,，阻斷電容的選取,，是在可以保證二極管自然換流的前提下，越大越好,。
從圖3中可以看到,，二極管t3在時(shí)刻換流結(jié)束。最壞的情況是,，在電壓開始建立的時(shí)候,，二極管剛好換流結(jié)束，也即t3=t4時(shí),。此時(shí),，ip減小到最小值：
而在t2時(shí)刻：
在t2～t3時(shí)間段內(nèi),，原邊電容和漏感諧振，阻斷電容的電壓,、原邊電流為：
所以二極管能夠自然換流的條件是：
上式推出了二極管在t4時(shí)刻完成換流的條件,，它與阻斷電容上的電壓Vcb有關(guān)。
在t0～t2時(shí)間段內(nèi)：
其中,，k為原副邊匝比,。I10、I20分別為iLf1,、iLf2在t0時(shí)刻的值,。
由式(2)，有I10=ILfmax,，可以得出ip在[t0～t2]時(shí)間段內(nèi)的表達(dá)式：
可以得出,，在t2時(shí)刻，電容上的電壓：
而從式(1)可得：
從上面分析可以推導(dǎo)出：
實(shí)際設(shè)計(jì)中,，可以通過該式確定阻斷電容Cb的值,。
2.2濾波電感設(shè)計(jì)
濾波電感有兩個(gè)作用。一是濾波作用,，減小輸出紋波,，從這個(gè)意義上說，電感值越大越好,。二是為原邊開關(guān)管的ZVS提供能量,，電感電流必須可以減小到零且有一定的負(fù)值，從這方面來說,，電感必須小于一定值,。所以設(shè)計(jì)電感的原則是，在滿載能夠?qū)崿F(xiàn)滯后管軟開關(guān)的前提下,，電感取最大值,。
3基于Buck變換器的小信號(hào)模型設(shè)計(jì)
Buck變換器只有兩種工作模態(tài)，即開關(guān)管導(dǎo)通和開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài),。
首先為理想的Buck變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的兩種不同工作狀態(tài)建立狀態(tài)方程和輸出方程,。這里取電感電流iL(t)和電容電壓uc(t)作為狀態(tài)變量，組成二維狀態(tài)向量x(t)=[iL(t),，uc(t)]T;取輸入電壓ui(t)為輸入變量,，組成一維輸入向量u(t)=[ui(t)];取電壓源的輸出電流is(t)，變換器的輸出電壓u0(t)作為輸出變量,，組成二維輸出向量y(t)=[is(t),，u0(t)]T。
圖4Buck變換器拓?fù)鋱D
4基于倍流整流移相全橋變換器的小信號(hào)模型設(shè)計(jì)
倍流整流移相全橋變換器是在BUCK變換器的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的,，兩種變換器都是典型的二階系統(tǒng),。由它的狀態(tài)空間矩陣得到控制輸出的傳遞函數(shù)為：
代入相關(guān)參數(shù)可得到該傳遞函數(shù)的波特圖如圖5所示：
圖5倍流整流移相全橋變換器傳遞函數(shù)波特圖
5通信電源的實(shí)驗(yàn)研究
基于以上分析,，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出電壓和輸出電流分別為48V和15A通信電源的樣機(jī)，主電路由橋式逆變電路,、高頻變壓器及阻斷電容,、輸出整流濾波電路等組成。外圍電路包括采樣電路,、驅(qū)動(dòng)電路,、過流保護(hù)電路等的設(shè)計(jì)。
5.1采樣電路設(shè)計(jì)
輸入電壓和輸出電壓采用線性光耦HCNR201采樣,，如圖6所示,。輸出電流和輸入電流采樣采用電流LEM，該方法精確可靠,，實(shí)現(xiàn)了電隔離,，但成本較高，且需要精確的±15V直流電源,。
圖6電壓采樣電路
5.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
MOS型器件的理想驅(qū)動(dòng)波形應(yīng)有合理的脈沖上升沿和下降沿,、足夠大的驅(qū)動(dòng)功率、合適的驅(qū)動(dòng)正向電壓和反向電壓,。本電源移相全橋拓?fù)涞乃穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)占空比大小固定;開關(guān)頻率較高,，為100K，要求有較強(qiáng)的抗干擾能力,。
5.3過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
電壓型電流傳感器(霍爾器件)檢測(cè)到輸出電流,，經(jīng)過RC電路濾波后送到比較器的正相輸入端，而設(shè)定的電壓給定值接比較器的反向輸入端,，兩個(gè)量進(jìn)行比較,，當(dāng)大于給定值時(shí)，說明輸出過流,，此時(shí)比較器輸出高電平,，三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光提示過流,，同時(shí)PDPINTA為低電平,，然后接入到DSP。GPIOA5送出的是保護(hù)信號(hào),，當(dāng)軟件出現(xiàn)保護(hù)時(shí)，GPIOA5為高電平,，其相應(yīng)的比較器輸出為高電平,，同樣使得PDPINTA為低電平。
5.4軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括主程序,、通信子程序,、雙環(huán)調(diào)節(jié)子程序,、A/D轉(zhuǎn)換中斷、PWM1和PWM3產(chǎn)生中斷,、PWM2和PWM4產(chǎn)生中斷,。
5.5實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用積分分離的控制算法，超調(diào)量減小,，調(diào)節(jié)時(shí)間減小,，從而改善了動(dòng)態(tài)性能。倍流整流電路較全波整流來說,，占空比丟失小,、沒有二極管的反向恢復(fù)以及滯后管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)更容易。