（电气工程专业论文）通信开关电源及其嵌入式监控系统的研究与设计.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盗墨! 墨日期：丛! q 年上月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储签名：碎越翩签名班嗍业年月盟日 摘要 随着通信事业的发展，通信系统规模不断扩大，结构也越来越复 杂。而通信电源被称为通信系统的“心脏”，关系到整个通信网运行 质量和通信安全，在通信系统中占有极其重要的地位。为提高电源系 统运行的可靠性，一方面，要对电源主电路本身做出改进，降低故障 率；另一方面，对电源系统运行状况进行监控也十分重要。因此，本 文对电源主电路的整流模块及其并联均流技术进行了详细的设计，引 进了嵌入式技术和以太网技术设计电源监控系统，大大提高了整个通 信电源的可靠性。 本文采用有源功率因数校正和移相全桥d c d c 变换电路来设计 智能整流模块。重点分析了相关原理，设计了相关电路参数。文中介 绍了电源并联运行的各种均流技术，对单模块的全桥d c d c 变换器 和多模块变换器并联运行进行了小信号分析，运用最大电流自动均流 法设计了多模块并联运行的三环控制系统，并利用m a t l a b 对该并联 系统进行了仿真研究。采用均流控制芯片u c 3 9 0 7 设计了变换器的均 流控制电路，实现了多变换器模块并联组成更大功率的电源系统。 电源监控系统部分设计了一个数字嵌入式监控器，在设计中提出 了一种基于a r m 的设计方案，选用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 芯片 为核心，搭建了嵌入式系统的硬件平台，并针对现行普遍应用的串口 通信的弱点，提出了以r t l 8 0 1 9 a s 为以太网接入的物理通道，构建 嵌入式硬件通信网络平台。为实现嵌入式电源监控系统各功能，搭建 软件平台，完成嵌入式操作系统! a c o s 1 1 的移植。主要工作包括系统 启动代码和基于l p c 2 2 1 4 硬件平台的移植代码的编写。针对嵌入式电 源监控系统中的应用，编制基于i _ t c o s 一操作系统具体的应用程序， 完成任务的划分和创建，任务优先级的确定的设计与实现。 关键词：通信电源，移相全桥，并联均流，监控系统，l p c 2 2 1 4 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y , c o m m u n i c a t i o n s y s t e mi ng e n e r a lc o n t i n u e st oe x p a n dt h es c a l ea n db e c o m e sm o r ea n d m o r ee n o r m o u sa n dc o m p l i c a t e d t h ec o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l y k n o w na s “t h eh e a r t ”o ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i sc l o s e l yr e l a t e dt o t h ee n t i r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko p e r a t i o nq u a l i t ya n dc o m m u n i c a t i o n s e c u r i t y , a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n o r d e rt oi m p r o v er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y , o no n eh a n d ，m u s t i m p r o v em a i nc i r c u i to ft h ep o w e rs u p p l ya n dd e c r e a s ef a i l u r er a t e ；o nt h e o t h e r , i ti sa l s ov e r yi m p o r t a n tt om o n i t o ro p e r a t i o n a ls t a t u so fe n t i r e s y s t e m t h e r e f o r et h i sa r t i c l ed e t a i l e dd e s i g n sr e c t i f i c a t i o nm o d u l eo ft h e m a i nc i r c u i ta n dp a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n gt e c h n o l o g y , a n di n t r o d u c e s e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n de t h e m e tt e c h n o l o g yt od e s i g nm o n i t o r i n g s y s t e m ，a n dg r e a t l yi m p r o v er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y t h ea c t i v ep f ca n dp h a s e - - s h i f t e df u l l - b r i d g ed c d cc o n v e r t o ri s u s e dt od e s i g nt h er e c t i f i c a t i o nm o d u l e ，a n de m p h a t i c a l l ya n a l y z er e l a t e d t h e o r i e sa n dd e s i g nr e l a t e dc i r c u i tp a r a m e t e r s t h em e t h o d so fp a r a l l e l c u r r e n ts h a r i n go fr e c t i f i c a t i o nm o d u l e sa r ei n t r o d u c e d t h es m a l ls i g n a l m o d e lo ft h es i n g l e f u l l b r i d g ed c d cc o n v e r t o rm o d u l ea n dt h e m u l t i m o d e l sa r ea n a l y z e d u s i n gt h em e t h o do ft h em a x i m u mc u r r e n t a u t o m a t i cc u r r e n ts h a r i n gt od e s i g nat h r e e l o o pc o n t r o ls y s t e mo ft h e m u l t i m o d u l e sp a r a l l e l ，a n da c c o m p l i s hs i m u l a t i o ns t u d yo ft h ep a r a l l e l s y s t e mi nt h em a t l a b t h eu c 3 9 0 7t h a ti sc u r r e n t - s h a r i n gc o n t r o l l e ri s u s e dt od e s i g nt h ec u r r e n t s h a r i n gc i r c u i t ，a n di tr e a l i z e s p a r a l l e l i n g m u l t i - m o d u l et oc o m p o s eo fp o w e rs u p p l ys y s t e mm u c hm o r eh u g et h a n o n em o d u l e a d i g i t a le m b e d d e dm o n i t o ri sd e s i g n e df o rt h ep o w e rm o n i t o r i n g s y s t e m ，p r e s e n t sa na r m - b a s e dd e s i g n ，s e l e c t sp h i l i p sl p c 2 2 14c h i p a st h ec o r e ，a n db u i l d sa ne m b e d d e ds y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r m f o rt h e w e a k n e s s e so ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nt h a ti s g e n e r a la p p l i c a t i o n p r o p o s i n gt ou s er t l 8 0 19 a sf o re t h e m e ta c c e s s ，a n db u i l d i n ga n e m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mf o rc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s i no r d e rt o a c h i e v ev a r i o u sf u n c t i o n so ft h ee m b e d d e dp o w e rs u p p l ym o n i t o r i n g i l s y s t e m ，b u i l d i n gs o f t w a r ep l a t f o r ma n dc o m p l e t i n ge m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mi t c o s i ip o r t i n g i t sm a i nd u t i e si n c l u d et h es y s t e mb o o tc o d e s a n dp o r t a b l ec o d e so nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h el p c 2 214 f o r a p p l i c a t i o n so ft h ep o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，c o m p i l i n gt h ea p p r o p r i a t e p r o g r a mb a s e do nr t c o s - 1 i ，a n dc o m p l e t i n gt h ec r e a t i o na n dd i v i s i o no f t a s k s ，a n df i x i n gt a s kp r i o r i t y k e y w o r d s ：c o m m u n i c a t i o np o w e r , c u r r e n ts h a r i n g ，m o n i t o r i n gs y s t e m ， p h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g e ，p a r a l l e l l p c 2 2 1 4 i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 通信电源及其监控系统的研究现状l 1 2 1 通信电源技术的研究现状1 1 2 2 通信电源监控系统的研究现状2 1 3 通信电源的发展趋势3 1 4 本论文的研究内容4 第二章通信开关电源整流模块的设计6 2 1 整流模块的结构6 2 2p f c 及其控制电路的设计7 2 3 移相全桥d c d c 变换器的设计1 2 2 3 1 移相全桥z v s 变换器1 2 2 3 2 移相全桥z v s 变换器主电路的设计1 3 2 3 3 控制电路的设计1 6 2 4 本章小结1 8 第三章整流模块并联均流系统的研究与设计1 9 3 1 并联系统均流技术概述1 9 3 1 1 均流技术的原理1 9 3 1 2 常用的均流方法2 0 3 2 基于最大电流自动均流法的三环控制系统的研究2 4 3 2 1 三环控制系统的实现结构2 4 3 2 2 全桥d c d c 变换器小信号等效模型的建立2 5 3 2 3 最大电流自动均流法的小信号分析2 8 3 2 4 并联均流三环控制器的设计2 9 3 2 5 基于m a t l a b 的并联均流系统仿真3 4 3 3 并联系统均流控制电路的设计3 7 3 3 1 均流控制芯片u c 3 9 0 7 3 7 3 3 3 基于u c 3 9 0 7 均流控制电路的设计3 8 3 2 4u c 3 9 0 7 外围电路参数的设计4 0 3 4 本章小结4 1 第四章嵌入式监控系统硬件设计4 2 i v 4 1 监控系统简介4 2 4 1 1 监控系统的功能4 2 4 1 2 监控系统的参数设置4 2 4 2 嵌入式监控系统硬件整体设计4 3 4 2 1 监控系统的组织结构4 3 4 2 2 嵌入式微处理器的选取4 4 4 2 3 硬件整体结构4 5 4 3 嵌入式监控系统部分硬件模块的设计4 6 4 3 1 辅助电源电路的设计4 6 4 3 2 以太网接口电路的设计4 6 4 3 3r s 4 8 5 接口电路设计4 9 4 3 4e 2 p r o m 模块电路的设计5 0 4 3 5j t a g 调试接口电路的设计5 l 4 4r s 一4 8 5 及以太网接口调试5 1 4 4 1 串口模块测试5 1 4 4 2 以太网接口模块测试5 2 4 4 本章小结5 4 第五章嵌入式监控系统软件设计5 5 5 1 实时操作系统i _ t c o s 一简介5 5 5 2p c o s 在l p c 2 2 1 4 上的移植5 6 5 2 1 移植条件5 6 5 2 2 移植内容5 6 5 3 基于j t c o s 的多任务设计5 7 5 3 1 任务设计的介绍5 7 5 3 2 监控系统任务框架的设计5 9 5 3 3 监控系统各子任务的设计6 0 5 4 本章小结6 5 结束语6 6 参考文献6 7 致谢7 l 攻读硕士学位期间发表的论文7 2 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 2 0 世纪是全球通信技术飞速发展的时代，通信技术的飞速发展促进了全球 信息化革命。2 l 世纪，通信技术进入了网络通信的时代，信息时代对信息的准 确、可靠、高效是最基本的要求，这就要求信息数据在网络中进行存储、交换、 处理和传输等误码率尽可能的低。这就对通信设备提出了较高的技术要求，不可 忽视的是，作为通信系统的动力组成部分，即通信系统的心脏通信电源系统 的重要性日益体现出来，其供电质量的优劣和可靠性的高低直接影响着通信设备 的运行质量和可靠性，进而影响整个通信网络的运行质量和可靠性【l j 。 传统的电源通常采用工频变压器加相控整流器的线性电源，整个电源系统庞 大而笨重，效率和功率因数都非常低。以开关方式工作的电源最早出现在6 0 年 代，1 9 7 4 年研制成了工作频率达到2 0 k h z 的开关电源。1 9 7 6 年美国通用公司生 产出世界上第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到简化，系统的可靠 性大为增强。现在，由于各种新型器件、材料及先进的电路结构不断出现，开关 电源的工作频率已经达到了m h z 以上，满负荷效率大于9 0 1 l 。开关电源逐渐 被广泛应用于生产生活的各个领域。 随着各种通信事业和科学技术的迅速发展，通信设备的自动化性能有了很大 的提高，为通信系统的集中管理提供了可行性。通信电源的集中监控是大势所趋。 各种通信设备正在不断的更新换代，通信电源也随之采用了高科技的开关电源设 备和自动化柴油发电机组，这些新型的智能化电源设备大大提高了通信供电系统 的自动化程度和工作可靠性，为通信电源集中监控管理创造了良好条件。通信电 源设备维护改革的方向是集中监控，逐步实现通信台站少人、无人值守。采用计 算机控制系统对分布在不同地域的通信台站的电源设备合理设置必要的监护点 的方式，实现遥测、遥信、遥控和遥调，实时监视设备运行参数，以便及时发现 和处理故障等功能1 4 j 。 1 2 通信电源及其监控系统的研究现状 1 2 1 通信电源技术的研究现状 1 9 6 3 年国内开始研制可控整流器，这标志着国内电源技术发展的正式开始。 1 9 6 5 年开始研制逆变器和晶体管直流直流变换器。上世纪8 0 年代前期部分高等 中南大学硕士学位论文第一章绪论 院校和一些科研院所对引进的开关电源技术进行试验开发，并于8 0 年代中期开 始推广和应用开关电源产品。其开关电源是采用2 0 k h z 脉宽调制( p w m ) 技术， 效率可达到6 5 7 0 。由于开关电源和相控线性电源相比具有显著优势，到上世 纪8 0 年代末期，开关电源开始在通信领域被大规模推广应用，相控电源也就逐 渐的被淘汰。1 9 9 4 年原邮电部作出重大决策，要求在通信领域推广应用开关电 源以取代相控电源。目前国内生产的开关电源采用p w m 技术的开关整流器，工 作频率大部分在4 0 k h z 至1 0 0 k h z 之间【5 j 。 国外开关电源的发展要比我国早近十年的时间。1 9 5 5 年美国的罗耶 ( g h r o g e r ) 发明了自激推挽晶体管单变压器直流变换器；1 9 6 4 年美国科学家 提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想；1 9 6 9 年研制成功了2 5 k h z 的开 关电源；二十世纪8 0 年代初，英国研制成功一套完整的4 8 v 开关电源；二十世 纪9 0 年代初，国外通信电源普遍采用p w m 技术的m o s f e t 开关整流器；二十 世纪9 0 年代末，挪威、新西兰、英国的通信电源逐步采用谐振变换技术的开关 整流器，发展软开关技术，开关频率可以达到4 0 0 k h z 。随着开关频率的增大， 从而使电源的效率提高了，电源模块的体积、重量却进一步减小。 国内外通信电源技术的发展主要表现以下两点： ( 1 ) 新型功率器件、控制技术的开发使开关电源技术有了重大进步和突破 新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率m o s f e t 和i g b t 可 使中小型开关电源工作频率达到4 0 0 k h z ( a c d c ) 或1 m h z ( d c d c ) 。软开关 技术减少开关功耗，使高频开关电源的实现有了可能，高频化不仅可以减少电源 的体积和重量，而且提高了电源的效率；采用软开关技术，国内研制的6 k w 通 信电源，效率高达9 3 。随着控制技术的发展以及专用控制芯片的研制成功，电 源电路大幅度简化，开关电源的动态性能和可靠性也大大的提高。有源功率因数 校正技术( a p f c ) 的开发，提高了a c d c 开关电源的功率因数，既治理了电 网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率【5 】。 ( 2 ) 新型磁性材料、变压器等元器件的发展使开关电源进一步小型化 开关电源和传统的相控电源相比，是电源技术上的一次飞跃：由于新型磁性 材料、变压器等元器件的发展，使电源实现了高频功率变换，电源的体积重量明 显减少，甩掉了体积大而笨重的工频变压器；由于变换功率的提高，可以方便地 得到不同大小的直流电压，减少了能耗，提高了对能源的利用率【5 】。 1 2 2 通信电源监控系统的研究现状 上世纪8 0 年代，国际已经注意到不同地方的通信进行集中监控的必要性。 但由于这些系统都是由电源设备生产厂家进行开发的，只能接入单一类型的电源 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 设备，这就造成了监控系统要同时对不同厂商通信开关电源进行监控，还要对互 不相同的环境设备如空调等进行监控。然而各系统的功能、协议、机制、接口存 在较大的差异，很难进行互联。针对这种情况，提出了通信电源集中监控管理系 统的思路和要求。上世纪9 0 年代初，广东省率先建成了国内第一套通信电源集 中监控管理系统，这是我国集中监控系统的起点，从此以后各省纷纷开始效仿进 行集中监控的通信电源建设【丌。 这些系统当时都还处于小范围内( 县级) 的监控，直到1 9 9 7 年福建泉州电 信局才建成第一个真正意义上的本地网电源监控系统。该系统包括一个s c 中心、 9 个s s 中心和1 4 6 个s u 局站，实现了较完善的监控和管理功能。上个世纪9 0 年代中后期监控系统如雨后春笋般迅猛发展，许多公司和科研单位纷纷投入到监 控系统开发建设中来。 到现在，我国的真正意义上监控系统的发展已经走过了十多个年头了。这些 年来，无论是在技术上、系统建设规模上，还是在系统维护上，都取得了长足的 进步。具体表现在以下几个方面： 1 ) 监控系统建设数量不断增加、系统规模不断扩大； 2 ) 不断发展的相关技术与监控技术相互促进； 3 ) 监控技术日趋成熟、系统模式日趋稳定； 4 ) 相关标准规范日趋完善； 5 ) 监控系统的发展与运维体制的转变相互促进； 6 ) 监控市场逐步走向规范化。 随着高科技的发展，通信电源集中监控技术主要表现在如下几个方面方面 1 ) 系统的智能化，通信台的少人、无人值守 2 ) 现场总线网络的分布式开放系统在监控系统中广泛应用； 3 ) 以太网技术应用于电源监控系统中，监控数据和信息可以采用t c p i p 协 议在全球的i n t e r n e t 上传输，监控软件具有w e b 浏览器功能，可通过t e l n e t 、f t p 等协议访问主机； 4 ) 随着移动通信技术的发展，可以实现移动型电源控制。 5 ) 3 g 网络的兴起，势必将对监控系统提出更高的要求。 1 3 通信电源的发展趋势 随着电力电子技术和集成电子技术的不断发展，先进的新型元器件不断的被 开发，通信电源正朝着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。同时，计算 机通信技术、计算机控制技术以及计算机网络技术的迅速发展，为通信电源监控 系统的发展提供了坚实的技术条件，使监控系统逐步向少人值守，直至无人值守 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的方向发展【7 1 。 通信电源技术的主要研究趋势如下： 1 ) 软开关技术。软开关技术通过实现零电压开通和零电流关断，从而减少 开关损耗，提高转换效率，也为进一步提高工作频率提供了依据【4 】。 2 ) p f c 技术。p f c 功率因数校正技术通过控制输入电压电流同相位，提高 功率因数，并降低电力电子设备的谐波损耗，保护电网，实现设备的无污染。 3 ) 多模块并联均流技术。并联均流技术主要目的是实现负载电流的均衡分 配。其优点主要有：容易实现n + i 冗余，易于扩增负载容量，实现大功率；散 热好；瞬态响应好；提高了系统可靠性；可实现变换器组件模块化；易于使用插 件连接等【6 】。 4 ) 低电压大电流变换器技术。该技术的难点在于，输出电压低的同时要具 有较高的转换效率( r 7 5 ) f 3 】。 5 ) 电源智能化技术。电子电源微处理器监控、电源系统内部通信以及电源 系统智能化等【6 1 。 由此可知，通信电源今后将向着高性能、高效率、高功率密度、高可靠性以 及智能化方向发展。 一 1 4 本论文的研究内容 通过调研和查阅资料，研究需求关系和监控要求，本次设计和研究的通信开 关电源系统主要包括四个部分：交直流配电单元、整流模块以及电源监控系统。 整个通信开关电源系统结构框图如1 1 所示。 图1 1 通信开关电源系统结构框图 直流配电单元的功能是监控系统通过直流配电单元，对开关电源系统直流配 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电。交流配电单元的功能是监控系统通过交流配电单元，对开关电源的交流系统 配电。整流模块是一个通信电源系统主供电系统重要组成部分，它的结构、功能 和技术指标很大程度上决定了通信电源系统性能的好坏，所以在设计时对电压调 整率、负载调整率、稳压精度、可靠性等指标有更高的考虑。另外，针对大功率 通行设备而言，要求对整流模块实现多个并联运行，因此对并联均流技术也有更 高的要求。电源监控系统整个监控电源系统核心组成之一，它连接各个模块单元， 对所需监控的所有设备进行监视、数据采集处理和控制，通常由微控制器构成， 形成一个完整的嵌入式系统。 、本论文电源监控系统设计方面，以电源远程监控系统为研究背景，提出并计 划将基于a r m 内核的高性能嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统的技术应用 到电源监控系统中。目前监控系统中各节点主要通过r s 4 2 2 及r s 4 8 5 串行总线 与前置机通信，存在着通信速率低，节点间不能自由通信，通信距离短，安装较 困难等缺点。为克服这些缺点，本文还使用以太网通信系统来满足电源远程监控 的实时性、可靠性、智能化的数据传输要求。 本论文主要内容如下： 1 ) 现阶段，通信电源供电系统主模块智能整流模块主要有两大技术构成： p f c 功率因数校正技术和全桥d c d c 变换技术。论文中对这两大技术进行了详 细的电路及参数设计。 2 ) 针对大功率整流并联需要，对均流技术进行了深入的研究，选取最大均 流法为本设计的方法，通过对变换器建模和三环小信号的分析来实现控制器的选 型与设计，使用m a t l a b 对系统的稳定性进行分析，并对整个系统进行仿真，得 到了预想的均流效果。 3 ) 电源监控系统部分设计了一个数字嵌入式监控器，以p h i l i p s 公司的 l p c 2 2 1 4 芯片为核心，搭建了嵌入式系统的硬件平台，以r t l 8 0 1 9 a s 为以太网 接入的物理通道，构建嵌入式硬件通信网络平台。 4 ) 嵌入式监控器硬件搭建过程中特别对周围的模块功能电路进行了详细的 设计，如：a d 采样电路、e e p r o m 电路以及r t l 8 0 1 9 a s 电路等重要的子电路。 5 ) 为实现嵌入式电源监控系统各大功能，搭建软件平台，完成嵌入式操作 系统r t c o s 1 1 的移植。主要工作包括系统启动代码和基于l p c 2 2 1 4 硬件平台的 移植代码的编写。 6 ) 针对嵌入式电源监控系统中的应用，编制系统具体的应用程序，包括任 务的划分和创建，任务优先级的确定的设计与实现。 5 中南大学硕士学位论文 第二章通信开关电源整流模块的设计 第二章通信开关电源整流模块的设计 图1 1 通信开关电源系统中的整流模块为整个开关电源主电路的核心模块， 它完成电路功能最关键的a c 到d c 的变换，其中整流模块主要包括：a c d c 不可控二极管整流电路、功率因数校正电路和d c d c 变换电路。其中a c d c 不可控二极管整流电路主要是桥式不可控整流电路，比较简单，本章主要对功率 因数校正电路和d c d c 变换电路的设计进行详细的研究。 2 1 整流模块的结构 一般的开关电源整流模块都比较简单，通常都是由一个a c 到d c 的不可控 整流和一个b u c k 或b o o s t 变换电路得到所需的直流电压，另外再加一些e m i 和 输入输出滤波电路。本次设计的通信开关电源主要是给一些对电源要求比较高的 通信设备供电，各方面参数要求都比较高，电路也就相对复杂许多，整流模块的 系统框图如图2 1 所示。各模块功能如下： 图2 一l 整流模块结构框图 输入端整流滤波电路主要包括市电交流输入电路、抗e m i 电路、全桥不可 控整流电路等，交流输入电路控制着市电( 2 2 0 v 或3 8 0 v ) 可靠输入，一般都是 通过交流配电柜完成，抗e m i 电路实现了绿色电源，通过该电路可以阻止电源 设备的谐波污染电网。全桥不可控整流电路主要是有四个不可控二极管完成整 流。 p f c 及其控制电路其实就是一个简单的d c d c 变换器，通过控制开关器件 的通断来调整输入电压和输入电流基本同相位，这样可以调整整个的输入功率因 数接近l 。另外通过该变换器可以达到一级变压效果，比如现般都采用b o o s t 校正电路，可以达到升压和平滑直流信号的效果。 6 中南大学硕士学位论文第二章通信开关电源整流模块的设计 d c d c 变换器电路主要完成所需直流电压的转换。通信开关电源要求比较 高通常采用高频电路，来满足各方面的性能。在高频变换器中开关和高频变压器 室主要器件，p f c 产生的平滑直流电压通过开关器件控制变为高频( 1 0 0 k h z ) 方波，然后通过高频变压器副边的整流电路整流成所需直流，高频变压器在此完 成电压变换和电气隔离两个作用。 输出端滤波电路完成高频变压器高频方波的整流和滤波，一般通过电感和电 容无源滤波得到所需的直流电压。 p w m 的控制电路主要用来控制变换器的开关器件工作时动作时间点( 占空 比) ，从而实现在负载变化时输出电压恒定。保护电路主要实现变换器主电路的 过压、过流等保护功能。 辅助电源为电路的控制器的芯片提供所需的直流电压源。 2 2p f c 及其控制电路的设计 功率因数校正技术( p f c ) 分为两大类：无源p f c 技术和有源p f c 技术 ( a p f c ) 。由于无源p f c 技术体积大、难以得到接近于1 的输入功率因数等缺 点，主要应用于要求不高的场合。相反有源p f c 技术因具有接近1 的功率因数 和体积小等优点应用越来越广。a p f c 技术按输入电流检测和控制方法，分为电 感电流断续模式( d c m ) 和电流连续模式( c c m ) 两种。其中d c m 是电压跟 随器的方式，电路简单，易控制，但开关峰值电流大，导致开关损耗大，在两极 电路中一般不采用。c c m 的有源功率因数校正电路主要有三种：电流滞环控制 的a p f c 、电流峰值控制的a p f c 和电流平均值控制的a p f c 。其中，平均电流 值控制a p f c 是比较先进和应用较多的功率因数校正技术。 平均电流型b o o s t 电路p f c 的控制原理图如图2 2 所示。其控制系统由稳压 控制环( 外环) 和输入电流波形控制环( 内环) 组成，每个环路都有基准、采样、 误差放大等环节。两个控制环通过乘法器连接在一起，电流波形控制环的输出控 制脉冲宽度，调节功率管啊的占空比实现功率因数校正。 7 中南大学硕士学位论文第二章通信开关电源整流模块的设计 r 懵 峪gf 1 rf1 r 一 一 i i 一f _ 一 例。埘兰目l 学l ；三i 卜- c 马il 一卜一 r 亡= ) 一 廿 图2 - 2 平均电流型b o o s t 电路p f c 的控制原理图 本文主要讨论的4 8 v 5 0 a 开关整流模块的b o o s t 有源p f c 主电路。下面对 主电路的元件进行参数的设计及选型。 1 电路分析 工作在稳态是，一个周期内升压内l 的平均电压为零，则有 乙+ ( 一) = 0 ( 2 1 ) 输出电压为 以：盟 。 1 一d ( 2 - 2 ) 已知占空比d 总是小于1 的某个值，从式也就可知输出电压将大于输入 电压u i n ，实现电路的升压功能。 占空比 由于输入电压为 d ：1 一丝 = 儿 s i n ( c o t ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中舢为整流后输入电压的有效值。 故 h 一华 协5 ， 由上式可知占空比是时变的。当电网电压为零时会达到最大值，而在电网电 8 中南大学硕士学位论文第二章通信开关电源整流模块的设计 压的峰值处则会降到最低。输入电流为 2 面厕r 0 2 - 6 其中只为p f c 的输出功率。 2 电感的设计 电感工由磁芯和绕组组成，具有能量的传递、滤波和储存等功能，电感越大 电流纹波会越小，然而太大又会导致饱和。因此电感的设计要充分发挥电路的作 用，得到一个满意的效果。 由上面分析可知，电感电流的最大峰值出现在电网电压过零点，即 ，丝鳖：一鱼塑生一：2 4 1 彳 ( 2 7 ) 1 肚7 7 嘶。) 0 9 x 2 2 0 x ( 1 - 2 0 ) 。 一般允许电感电流有2 0 的波动，则 a = 2 0 i 肚= 0 2 x 2 4 1 = 4 8 2 a ( 2 8 ) 电感电流出现最大峰值时的占空比为 d ：竺二垡虬4 0 0 - , t 2 x 1 7 6 ：o 3 8( 2 9 ) z o 4 0 0 电感值为 三： , 2 v t , ( m i n ) d ：- 4 r 2 x 1 7 6 x 0 3 8 ：o 2 0 小日( 2 - 1 0 ) ，a 1 0 0 1 0 3 4 8 2 2 输出电容c 的设计 输出电容的作用也就是滤波，设计时要满足最大输出纹波电压的要求，重 点考虑高频纹波电流、二次纹波电流、保持时间、直流输出电压及其二次纹波 电压。输出电容c 与这些参量的关系如下 c ：2 x _ p m m , _ x a t ( 2 1 1 ) 珞一。i n ) 其中，为输出最大功率，a t 为保持时间，v o 为输出电压，v o ( 曲) 为输出 电压最小值。设计时设保持时间为1 5 m s ，最小电压为输出电压的1 0 以内，则 求出c = 2 8 0 0 1 t f 。因此，选用3 个耐压为4 5 0 v 的1 0 0 0 “f 电解电容并联，降低了 等效电容电阻。 3 整流桥和输出二极管的选择 1 ) 整流桥二极管的选择 按照整流桥的电压为承受的最大电压，由原理可知为输入交流的峰值，即 9 中南大学硕士学位论文第二章通信开关电源整流模块的设计 圪戤= 4 2 2 2 0 ( 1 + 2 0 ) 3 7 3 3 5 v ( 2 1 2 ) 选取时留有一定裕量，可以选择耐压为6 0 0 v 。 输入功率一定，电压最低时整流桥电流最大，考虑到效率为0 9 ，电流 有效值的最大值为 厶。：上：坠一= 2 0 8 a ( 2 1 3 ) 懈( r a i n 、，7 2 0 0 x ( 1 - 2 0 ) x 0 9 选取时留有一定裕量，取额定电流为5 0 a 。 2 ) 输出二极管的选择 本次设计的主电路采用的开关频率为1 0 0 k h z ，其开关频率较高，对二极管 的特性要求较高，所以输出二极管须采用开关特性好、反向恢复时间短、正向 电流大、耐压高、体积小、安装简便的快速恢复二极管或超快恢复二极管。因 额定工作电压为4 0 0 v ，通过的额定电流为，= 己。u = 3 0 0 0 4 0 0 = 7 5 a ，并考 虑安全裕量，选用f r l 0 a 0 5 型号快速恢复二极管，其中珞肼= 6 0 0 v ，i f = 1 0 a 。 4 功率开关管的选择 开关管导通时流过的电流为电感电流，电感最大峰值电流为 ，肚( 。瓤) = j 肚+ n 2 = 2 4 1 + 4 8 2 2 = 2 6 5 a ( 2 - 1 4 ) 考虑反向恢复电流，则通过功率开关管的峰值电流 = k ( m 戡) + i o = 2 6 5 + 7 5 = 3 4 a ( 2 - 1 5 ) 开关管承受的最大直流电压为 = y + a v = 4 0 0 + 2 0 x 4 0 0 = 4 8 0 v ( 2 - 1 6 ) 选取时留有一定裕量，开关管选用额定电流电压为5 0 a 5 0 0 v 的 i r f b 2 0 n 5 0 型m o s f e t 。 5 控制器选择与设计 为了便于研制和生产有源功率因数校正器，现在a p f c 的控制电路已经集成 化。有多种a p f c 集成控制电路芯片可以供设计、研究人员选用。本文中使用美 国u n i t r o d e 公司的u c 3 8 5 4 芯片设计p f c 控制器，该芯片也是现阶段应用最广 的一款芯片。 u c 3 8 5 4 是一种高功率因数校正集成控制电路新的芯片。其特点是：可以控 制有源b o o s tp f c 电路的交流输入端功率因数，使其接近1 ；限制输入电流的 t h d 3 ；采用平均电流控制法，恒频控制，电流放大器的频带较宽( 5 m h z ) 在蓬 奇o u c 3 8 5 4 芯片的内部电路包括：电压放大器v a ，模拟乘法器除法器m ，电 流放大器c a ，固定频率脉宽调制器p w m ，功率m o s 管的门极驱动器，7 5 v 1 0 中南大学硕士学位论文第二章通信开关电源整流模块的设计 基准电压，以及软启动、输入电压前馈、输入电压钳位、过流保护比较器等。其 内部电路如图2 3 所示。 v om o t j t c oi = k i w i r e f 蓐e n s ec t髂e tu o g - 洲 图2 3u c 3 8 5 4 b n 的内部结构图 由图2 3 可知，控制器的电压补偿网络跨接在v a 的输出端v a o 和v a 的负 输入端；电流补偿网络跨接在c a 的输出端c a o 和c a 的负输入端k 。 u c 3 8 5 4 控制b o o s tp f c 电路的外围电路如图2 4 所示。 l d 图2 4u c 3 8 5 4 控制b o o s tp f c 电路图 u c 3 8 5 4 可以直接驱动m o s 管，驱动电流峰值为1 5 a ；开关频率由和g 引脚的电阻、电容数值设定；软启动时间由s s 引脚对地的外接电容决定。 u c 3 8 5 4 对p f c 电路的采样信号包括：从m o u t 、i s e n s e 引脚差动输入电感 叭 撇 眦 雠 鹞叭一意鹞 半桥变化器相同，等于最大输入直流电压。所以在开关管承受相同峰值电流和电 压条件下，全桥变换器输出功率是半桥变化器的两倍。其开关管的稳态关断电压 等于直流输入电压，不像推推挽、单端正激或交错正激拓扑那样为输入电压的两 倍。因此在大功率场所全桥是优先之选。 2 3 1 移相全桥z v s 变换器 p w m 技术自从6 0 年代出现以来至今仍被广泛应用着，但是随着工作频率 的进一步提高，半导体开关器件的开关损失和电磁干扰均随之增加，成为限制变 换器进一步向高频化发展的主要原因之一。为了减小甚至避免开关损失和随之引 起的电磁干扰，人们提出了软开关技术。对于全桥变换器拓扑而言，采用移相软 开关技术的变换器在9 0 年代初得到了迅速发展，通过引入超前臂和滞后臂的概 念，人们提出了多种软开关新方法，并且广泛应用。 本次设计为了减小损耗进一步提高电源的工作效率，采用了移相全桥零电压 软开关技术的全桥d c d c 变换器，这种变换器，利用变压器初级串联电感和功 率开关管内的结电容来