通信系統中開關電源及其應用與發展

張文威

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

為保障通信系統能夠穩定運行，必須關注開關電源這一核心系統，同時加強其運行維護與管理工作。以科學嚴謹的態度面對存在或潛在的開關電源故障問題，科學運維以排除故障，避免故障困難帶來的威脅與損失。通信系統不斷發展與完善，開關電源系統水平也逐步提高，目前高頻開關電源系統呈現出了典型的智能化趨勢，但智能化及其運用的過程中也出現了一些明顯的問題，需要在智能化發展的同時結合科學方法不斷優化。視頻監控系統已經開始應用在開關電源系統中，其采用控制端的控制邏輯實現分布式監控系統的控制，每個分布式節點均能夠實現對不同站點的數據監控。而這種分布式的監控模式能夠實現點對點的監控，監控參數包括氣壓情況和機房空調狀況等，監測到的數據經系統處理之后上傳到控制中心進行進一步分析。結合自動化管理技術實現對電源的智能監控，明確不同站點的運行情況和潛在故障，以便發現問題的時候能夠快速響應，及時解決，保障開關電源和整個通信系統的穩定運行[1-3]。

1 通信系統中的開關電源

在實際通信系統應用中主要有3大類常用通信電源，包括線性電源、相控電源以及開關電源。作為典型開關電源，電源功率調整管工作在高頻開關狀態。開關電源的工作頻率一般較高，常見頻率超過40 kHz，面對如此高頻人們往往不能通過聽覺來察覺，因此其具有典型無噪音的優勢。除此之外，還具有小巧便捷的優勢，保證其能以小體積實現和其他通信設備的協同運行，另外具有超過90%的工作效率，節能效果顯著。開關電源系統涵蓋直流配電部分、監控單元、交流配電部分以及整流部分，其工作狀態交流配電模塊會被輸入三相交流電，交流配電模塊的主要作用是實現交流電源的分配，經過整流之后實現了交流向直流的轉換，然后直流電進入到直流配電模塊，最終實現在其他負載中的分配[4]。

2 無線通信設備中應用開關電源的基本原理

開關電源在無線通信設備中的主要作用是電壓變壓處理，其中DC/DC變換器開關電源是最常用的一種元器件。利用該元器件同時結合無線通信設備系統要求，能夠實現開關電源系統的電壓升降調整，實現對電壓振動波形的有效控制與調整，這樣無線通信系統中的無線通信設備能夠高質量運行并實現功能。開關電源應用基本原理如圖1所示。

圖1 開關電源應用基本原理圖

以DC/DC變換器為例進行分析，在無線通信設備中應用的基本原理是電壓變換機制，通過科學的電路系統實現反饋控制。隔離變壓器和非隔離變壓器是變壓器兩大常見類型，隔離變壓器主要是實現了直流輸入和輸出的有效分開，非隔離變壓器主要是實現了電壓升降過程中輸入和輸出的連接。以下就隔離模式變壓電路和非隔離模式變壓電路的工作原理進行解析。

升壓電路過程借助開關閉合線圈實現對電路的斷開處理，在負載中的直接表現是負載有效釋放，然后電路中的電流會持續在線圈中流通，結合開關閉合實現反向電壓處理操作，輸入電壓得到有效整合，電壓也實現了低壓向高壓的科學轉化[5]。

降壓電路過程功能的實現主要是借助了輸入存儲電壓和輸出存儲電壓在開關閉合過程中存在的壓力差，引入快速斷開的方法有效實現接地二極管輸出端壓力的有效釋放。在實際電壓調整的過程中，為保障其運行的可靠穩定性，需要科學比對基準電壓和直流輸出，這種方式能夠發現電壓波動誤差值，根據誤差值調整實施措施。開關元件的控制需要統計分析開關時間的比例，基于此實現精準控制，開關元件的精準控制對電壓穩定和平穩輸出具有重要意義。另外在開關元件運行中還可能存在噪聲問題，尤其是高頻情況下可能會對電源內部的原有噪聲進一步產生不良影響，因此必須在開關電源應用中配備相應的外圍電路，以此進行濾波規避噪聲影響。同時還可以增加功能保護電路解決這一問題，常見的包括防沖擊電流保護電路和過電流保護電路等[6-8]。

3 開關電源的分類及常用開關電源

3.1 開關電源的兩大類

作為開關電源典型兩大類，AC/DC和DC/DC在及時方面具有一定差別。和AC/DC相比DC/DC技術發展較早并且逐漸成熟，成為了目前國際上共識的通用標準技術之一。AC/DC技術起步較晚且由于自身技術特點，模塊化進程是未來發展趨勢，但這一進程困難重重。

DC/DC變化在直流電路中具有重要作用，能夠實現固定電壓向直流電壓的轉變。而DC/DC斬波器的工作模式也主要包括頻率調試和脈寬調制兩種，脈寬調制主要調節開關管導通時間Ton，開關周期Ts保持不變，而頻率調制主要調節Ts，Ton保持不變。常見斬波電路包括Buck電路、Boost電路、Cuk電路以及Buck-Boost電路[9]。功率流向是AC/DC變換的核心所在，整流過程實際是功率從電源到負載的整個過程，有源逆變正好相反，是從負載到電源的過程。在AC/DC變換器中，其接收到的是交流電，為保證系統穩定運行需要較大的整流濾波器支持，進一步增加了AC/DC變換器的體積。由于工作象限的差異，AC/DC變換器中包括第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限的差異。以相數為基準進行分類，又有單相、三相以及多相的區分，此外按照整流方式的標準進行分類，AC/DC變換器又可以分為全波整流變換器和半波整流變換器。

3.2 常用的開關電源技術

并聯技術作為供電體中的關鍵技術之一，可以為保障整流模塊的順利運行提供支持。模塊長時間滿載運行問題的解決由均流技術提供了可能，通過該技術能夠保證能量在不同模塊之間的科學分配，開關電源的故障發生概率會因此而減少，電源的使用壽命也將由此延長。軟開關技術的進一步發展促進了DC/DC變換器的應用發展，性能等方面均得到有效提升，尤其是變換效率和變換增益方面效果顯著，開關損耗也會顯著降低，電源內部的整體工作環境也會因軟開關技術的應用得到有效優化。

開關式穩壓器對開關電源系統具有重要作用，其具有高效性和繼承性特征，保證了超過90%的工作效率。利用芯片技術和高科技技術實現了對保護電路、控制器以及功率輸出器的集成，對小體積具有重要意義。單片開關電源和開關電源穩壓器相比其集成度更高，將更多的必要電路集成在芯片內部。隨著技術發展和革新，無工頻變壓器式開關電源被研發，和前面提到的兩種開關電源相比能耗更低，和普通開關電源相比能耗降低兩倍左右[10]。

4 開關電源的發展要求

4.1 穩定性、可靠性要不斷提高

隨著互聯網技術、計算機技術以及智能技術不斷發展，技術的革新也提高了設備的靈敏度。當前的通信設備對電壓起伏、噪聲電壓以及順便電壓的感知十分靈敏，如果在開關電源系統中存在這些問題，可能會對整個通信系統產生災難性的不良影響。開關電源問題和故障對系統造成的影響不容忽視，會波及到整個通信系統，嚴重的情況下可能波及通信樞紐，導致整個通信系統崩潰。

4.2 向自動化、小型化不斷發展

在開關電源運行中必須進行及時、有效以及科學的運維，通過實施監測、故障監測與處理來有效規避潛在威脅可能造成的重大損失。同時在開關電源運行中越來越要求小型化和集成化，以便應用更小體積與集成化的設備和元件，同時免人工維護和全封閉也是未來重要發展方向。

4.3 具有高頻化、高效率的特點

電力系統維護涉及的領域和范圍較廣，功耗也十分巨大，為有效降低能耗，建議提高供電頻率。極大提高供電頻率的同時，有效降低元件的質量和體積，材料成本也因此降低。

5 新形勢下無線通信設備中開關電源的發展方向探析

5.1 數字化方向發展

目前，各個領域均開始引入智能技術進入智能化時代，大數據技術也開始應用在通信領域和電力領域。這些新技術的應用暴露出傳統功率電子技術中存在的一些問題和不足。國家無線通信領域為進一步發展電路體系和技術，在設備建設中引入了數字化技術。開關電源技術中數字化技術的科學應用促進了其進一步升級，未來發展中必將構建智能化模型實現對其智能化控制。

5.2 高效化方向發展

無線通信系統的發展導致目前更加注重質量和性能，為此需要進一步提升開關電源的質量和水平，加強對開關電源轉換頻率與體積方面的研究，科學統籌分析開關電源體系、元器件能耗以及轉換效率等，然后基于此科學匹配開關電源，這也是未來開關電源發展中亟待突破的關鍵點和難點。

無線通信系統和無線通信設備的效能需要進一步提升，開關電源技術的革新與突破是關鍵。軟開關技術取得極大突破，關于軟開關技術的更多衍生技術不斷開發提出，這些技術的研發進一步提升了變換器的轉換效能。我國也開始引入國外新技術，如功率因數技術等，此外無源技術和PFC技術也在效能適用提升方面具有重要意義。

6 結 論

通信系統要想發展，通信行業要想穩步推進，有效解決通信電源系統中存在的問題是關鍵。未來，通信系統開關電源集成化、小型化、高效化以及高頻化是必然的發展方向，高效的開關電源系統才能支撐通信系統的長遠發展。