通信整流技術(shù)概述

1、通信整流技術(shù)概述通信電源2022/7/272我們知道，電子設(shè)備所需的直流電源，一般都是采用由交流電網(wǎng)供電，經(jīng)“整流”、“濾波”、“穩(wěn)壓”后獲得。整流：指把大小、方向都變化的交流電變成單向脈動(dòng)的直流電，能完成整流任務(wù)的設(shè)備稱為整流器。濾波：指濾除脈動(dòng)直流電中的交流成分，使得輸出波形平滑，能完成濾波任務(wù)的設(shè)備稱為濾波器。穩(wěn)壓：指輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載變化引起輸出電壓變化時(shí)，能自動(dòng)調(diào)整使輸出電壓維持在原值。通信整流技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷的幾代變革20世紀(jì)50年代末的飽和電抗器控制的穩(wěn)壓穩(wěn)流硒整流器；20世紀(jì)60年代的硅二極管穩(wěn)壓穩(wěn)流整流器；20世紀(jì)60年代末70年代初穩(wěn)壓穩(wěn)流可控硅整流器；20世紀(jì)80年代末90

2、年代初的高頻開(kāi)關(guān)整流器；通信整流技術(shù)概述2022/7/273幾個(gè)概念整流整流就是調(diào)整氣流、水流或電流的形態(tài)整流電路整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒄?fù)變化的交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓的電路。在交流電源的作用下，整流二極管周期性地導(dǎo)通和截止，使負(fù)載得到脈動(dòng)直流電。在電源的正半周，二級(jí)管導(dǎo)通，使負(fù)載上的電流與電壓波形形狀完全相同；在電源電壓的負(fù)半周，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，承受電源負(fù)半周電壓，負(fù)載電壓幾乎為零。 常用的整流電路有：半波整流全波整流橋式整流工頻：指工業(yè)上用的交流電源的頻率，單位赫茲（Hz）它是電氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。工頻一般指市電的頻率,在我國(guó)是50Hz,其他國(guó)家也有60Hz的 20

3、22/7/274整流器整流器是把交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）裝置的總稱。 它有兩個(gè)主要功能將交流電（AC）變成直流電(DC)，經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變器；給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時(shí)又起到一個(gè)充電器的作用。 通信整流技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)50年代末的飽和電抗器控制的穩(wěn)壓穩(wěn)流硒整流器20世紀(jì)60年代的硅二極管取代硒整流片的穩(wěn)壓穩(wěn)流硅整流器20世紀(jì)60年代末70年代初穩(wěn)壓穩(wěn)流可控硅整流器，20世紀(jì)80年代末90年代初的高頻開(kāi)關(guān)整流器通信用整流設(shè)備經(jīng)歷了幾代變革。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、功率半導(dǎo)體技術(shù)和超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝的飛速發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)整流器產(chǎn)品也越來(lái)越成熟，性價(jià)比

4、逐步提升，目前已經(jīng)逐步取代了可控硅整流器，并且還在不斷地朝著高頻化、高效率、大功率、小型智能化、清潔環(huán)保的方向發(fā)展。2022/7/275穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源（stabilized voltage supply）是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或穩(wěn)定直流電源的電子裝置。包括以下兩大類 交流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源的發(fā)展歷史1955年美國(guó)的科學(xué)家羅那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來(lái)，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子式換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功

5、率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開(kāi)關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。2022/7/27620世紀(jì)60年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

6、才真正做到了效率高、體積小、重量輕。20世紀(jì)70年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開(kāi)關(guān)二極管、開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來(lái)，使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。 穩(wěn)壓電源的主要功能 穩(wěn)定電壓當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬間波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓電源會(huì)以10-30ms的響應(yīng)速度對(duì)電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在2%以內(nèi)。 2022/7/277多功能綜合保護(hù)穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應(yīng)具有過(guò)壓保護(hù)（超過(guò)輸出電壓的+10%）、欠壓保護(hù)（低于輸出電壓的-1

7、0%）、缺相保護(hù)、短路過(guò)載保護(hù)最基本的保護(hù)功能。尖脈沖抑制（可選）電網(wǎng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會(huì)擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。隔離傳導(dǎo)性EMI電磁干擾（可選）數(shù)控設(shè)備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數(shù)校正，自身有一定的干擾性同時(shí)對(duì)干擾源也有嚴(yán)格要求。穩(wěn)壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網(wǎng)對(duì)設(shè)備的干擾同時(shí)也能有效隔離設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的干擾。防雷（可選）應(yīng)具有的防雷擊能力。2022/7/278穩(wěn)壓電源的種類目前，通信和其他電子設(shè)備采用的穩(wěn)壓電源主要有線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源中，調(diào)整元件串聯(lián)在負(fù)載回路中，其作用就像一只可變電阻，輸入電壓

8、或負(fù)載變化時(shí)，串聯(lián)調(diào)整元件的壓降改變，從而使輸出電壓穩(wěn)定不變。當(dāng)輸入電壓過(guò)高時(shí)，串聯(lián)調(diào)整管的功耗很大，因此效率很低。當(dāng)輸入電壓波動(dòng)范圍為20 %時(shí)，5 V穩(wěn)壓器的典型效率只有35%，輸入電壓波動(dòng)范圍小于16%時(shí)， 典型效率也只能達(dá)到50%。線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓精度較高，輸出紋波電壓也較低。近年來(lái)，推出的低壓差(輸入和輸出電壓之差很低的)線性穩(wěn)壓器，不僅具有線性穩(wěn)壓器的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且效率也有明顯提高，目前已廣泛應(yīng)用于小功率低電壓的電子設(shè)備中。2022/7/279相控型穩(wěn)壓電源相控型穩(wěn)壓電源的基本工作原理是：當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)， 改變晶閘管的導(dǎo)通角，可使輸出電壓穩(wěn)定不變。與

9、線性穩(wěn)壓電源相比，由于調(diào)整元件(晶閘管)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以功耗較小， 效率也較高，通?？蛇_(dá)到70%。要求輸入和輸出隔離時(shí)，相控型穩(wěn)壓電源的輸入端必須加入工頻變壓器。由于工作頻率很低(50 Hz)，所以變壓器的體積和重量都很大，同時(shí)輸出端的濾波電感和濾波電容的體積和重量也很大。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路在開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源中，調(diào)整管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，改變控制信號(hào)的脈沖寬度，就可改變調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間，從而使輸出電壓穩(wěn)定不變。調(diào)整管導(dǎo)通時(shí)，兩端的壓降接近于零，導(dǎo)通功耗很??；調(diào)整管關(guān)斷時(shí)，流過(guò)的電流基本上為零，關(guān)斷功耗非常小，因此開(kāi)關(guān)型電源的效率很高。目前通信用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率已達(dá)到90%以上

10、。2022/7/2710整流和濾波電路1. 電路組成單相橋式整流電路如圖3.1（a）所示，圖3.1（b） 是其簡(jiǎn)化電路。（a） 電路原理圖 （b）電路簡(jiǎn)化圖 圖3.1 單相橋式整流電路2022/7/2711濾波電路濾波電路的主要元件是電容和電感，以電容濾波電路最常用。電容濾波的特點(diǎn) (1) 濾波后的輸出電壓中直流分量提高了，交流分量降低了。 (2) 電容濾波適用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。 (3) 存在浪涌電流。可在整流二極管兩端并接一只0.01F的電容器來(lái)防止浪涌電流燒壞整流二極管。 (4) RL C值的改變可以影響輸出直流電壓的大小。2022/7/2712穩(wěn)壓電路并聯(lián)型穩(wěn)壓電路并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖

11、3.2所示圖3.2 并聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路其穩(wěn)壓過(guò)程分述如下：當(dāng)交流電網(wǎng)波動(dòng)而RL未變動(dòng)時(shí)，若電網(wǎng)電壓上升，則：UiULIZIURUL當(dāng)電網(wǎng)未波動(dòng)而負(fù)載RL變動(dòng)時(shí)，若RL 減小，則ILIURULIZIURUL并聯(lián)型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受穩(wěn)壓管最大電流限制，又不能任意調(diào)節(jié)輸出電壓，所以只適用于輸出電壓不需調(diào)節(jié)，負(fù)載電流小，要求不甚高的場(chǎng)合。2022/7/2713T1T2T3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖3.3所示。該電路由四部分組成。圖3.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 (1) 采樣單元采樣單元有R1、R2、和RP組成，與負(fù)載RL并聯(lián)，通過(guò)它可以反映輸出電壓Uo的變化。 (2) 基準(zhǔn)單元基準(zhǔn)單元由限流電阻R3

12、與穩(wěn)壓管T3組成（3）放大單元 放大單元由三極管T2組成。（4）調(diào)整單元調(diào)整單元由三極管T1組成，它是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的核心元件。T1必須選擇大功率三極管 。2022/7/27142. 工作原理串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的自動(dòng)穩(wěn)壓過(guò)程按電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載電阻變動(dòng)兩種情況分述如下：UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1UoRLUoUfUBE2IB2IC2UCE2 UBE1IB1UCE1Uo當(dāng)Ui或RL 時(shí)的調(diào)整過(guò)程與上述相反。由上分析可知，這是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。正因?yàn)殡娐穬?nèi)有深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，所以才能使輸出電壓穩(wěn)定。2022/7/2715三端集成穩(wěn)壓器目前，集成穩(wěn)壓器已達(dá)百余種，并且成為

13、模擬集成電路的一個(gè)重要分支。它具有輸出電流大，輸出電壓高，體積小，安裝調(diào)試方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電子電路中應(yīng)用十分廣泛集成穩(wěn)壓器有三端及多端兩種外部結(jié)構(gòu)形式。輸出電壓有可調(diào)和固定兩種形式：固定式輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)值，使用時(shí)不能再調(diào)節(jié)；可調(diào)式可通過(guò)外接元件，在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。此外，還有輸出正電壓和輸出負(fù)電壓的集成穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓電源以小功率三端集成穩(wěn)壓器應(yīng)用最為普遍。常用的型號(hào)有W78系列W79系列W317系列W337系列。2022/7/2716高頻開(kāi)關(guān)整流器開(kāi)關(guān)整流器是電源系統(tǒng)中最重要的部分，它的技術(shù)是否先進(jìn)，關(guān)系著開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的功能和可靠性。因此，一些自主開(kāi)發(fā)的廠商很注重開(kāi)關(guān)整流器技術(shù)性能

14、的改進(jìn)，其目的是使開(kāi)關(guān)整流器的可靠性和效率得到很大提高，使其成本和高頻電磁干擾降低。高頻開(kāi)關(guān)整流器的發(fā)展可靠性的提升可靠性是電源系統(tǒng)一個(gè)永恒的課題，隨著集成技術(shù)的發(fā)展成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的趨于合理，高頻開(kāi)關(guān)電源采用的元器件的數(shù)量大大減少，電解電容、光耦合器及風(fēng)扇等決定電源壽命的器件質(zhì)量也得到提高，以及增加了各種保護(hù)功能，使高頻開(kāi)關(guān)整流器的MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）延長(zhǎng)，從而提高了可靠性。穩(wěn)定性的提高穩(wěn)定高質(zhì)量的直流電輸出是衡量整流器的一個(gè)重要的指標(biāo)。高頻化以及高性能、高增益控制電路的采用，使高頻開(kāi)關(guān)整流器的穩(wěn)壓精度大大提高，各種濾波電路的應(yīng)用使得輸出雜音減小，其供電質(zhì)量較相控整流器有了明顯的提高。2

15、022/7/2717小型化小型化是高頻開(kāi)關(guān)整流器相比傳統(tǒng)相控整流器的一大優(yōu)勢(shì)。由于變壓器工作頻率的提高以及集成電路的大量使用，使得高頻開(kāi)關(guān)整流器的體積大大縮小。有些高頻開(kāi)關(guān)整流器內(nèi)部有CPU，有些沒(méi)有。但對(duì)于整個(gè)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)而言，都設(shè)有監(jiān)控模塊，采用智能化管理，可與計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。高效率高效率也是高頻開(kāi)關(guān)整流器發(fā)展的趨勢(shì)。功率器件生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，其功耗減??；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)使得開(kāi)關(guān)整流器設(shè)計(jì)拓?fù)浜蛥?shù)趨于合理，即所謂的最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和最佳工況；功率因數(shù)校正技術(shù)的采用，使得高頻開(kāi)關(guān)整流器的效率大大提高。2022/7/2718高頻開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)重量輕、體積小與相控電源相比較，在輸出相同功率的情況

16、下，體積及重量減小很多節(jié)能高效一般效率在90左右。功率因數(shù)高當(dāng)配有有源功率因數(shù)校正電路時(shí)，其功率因數(shù)近似為1，且基本不受負(fù)載變化的影響。穩(wěn)壓精度高、可聞噪音低在常溫滿載情況下，其穩(wěn)壓精度都在5以下。維護(hù)簡(jiǎn)單、擴(kuò)容方便模塊化結(jié)構(gòu)?？稍谶\(yùn)行中更換損壞模塊，不影響通信。增減模塊方便智能化程度較高有CPU和計(jì)算機(jī)通信接口，便于集中監(jiān)控，無(wú)人值守。2022/7/2719高頻開(kāi)關(guān)整流器目前需要解決的問(wèn)題 解決高頻化與噪聲的矛盾問(wèn)題。提高工作頻率能使動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，這對(duì)于配合高速微處理器工作是必須的，也是減小體積的重要途徑。損耗增加，同時(shí)增加了更多的高頻噪聲，這些噪聲既對(duì)整流器自身工作會(huì)帶來(lái)影響，也會(huì)使得其他

17、電子設(shè)備受到干擾。 如何進(jìn)一步提高效率，提高功率密度損耗的增加制約了整機(jī)效率的提高；額外的噪聲也必須增加更多的噪聲抑止電路，也就加大了整流器的復(fù)雜性和體積，使得整流器的可靠性和功率密度下降 開(kāi)發(fā)高性能的功率器件、電感、電容和變壓器，提高整機(jī)的可靠性高性能碳化硅半導(dǎo)體器件 、高頻磁性元件和大容量高壽命的電容器的開(kāi)發(fā)。2022/7/2720通信高頻開(kāi)關(guān)整流器的組成傳統(tǒng)的晶閘管相控整流器工作頻率低，要求變壓器和濾波元件的體積大，重量大和耗能高，隨著大功率器件和微電子技術(shù)的發(fā)展，高頻開(kāi)關(guān)整流器已逐漸取代晶閘管相控整流器。高頻開(kāi)關(guān)整流器組成高頻開(kāi)關(guān)整流器也稱為無(wú)工頻變壓器整流器，主要由主電路、輔助電路和

18、控制電路三部分組成，如圖3-4所示 2022/7/2721主電路高頻開(kāi)關(guān)整流器的主電路如圖3-4所示，包括交流濾波、整流、功率因數(shù)校正、直流-直流（DC-DC）變換、直流濾波等。交流濾波：交流濾波處于整流模塊的輸入端口，這一部分包含低通濾波、浪涌抑制等電路 整流電路一般采用無(wú)工頻變壓器單相或三相橋式硅整流電路，它把單相或三相交流電變?yōu)橹绷麟?，并向功率因?shù)校正電路提供穩(wěn)定的直流電源功率因數(shù)校正電路：為了消除由整流電路引起的諧波電流污染電網(wǎng)和減小無(wú)功損耗，必須用功率因數(shù)校正電路提升功率因數(shù)。直流-直流變換電路：由逆變和高頻整流兩部分組成，逆變部分將直流高壓變換為高頻低壓。高頻整流部分將高頻電壓變換為電信設(shè)備所需要的直流低壓（-48，-24V）。直流-直流變換電一般采用PWM方式控制。直流濾波：濾除高頻開(kāi)關(guān)整流器輸出側(cè)的尖峰和雜波等噪聲電壓 2022/7/2722控制電路除主電路這外的其它電路都可稱之為控制電路