DC/DC变换电路在变电站通信电源系统中的应用

摘要：本文详细论述了DC/DC开关电源转换电路在电力通信中的应用。在通信机房内通过运用DC/DC转换电路，由所内电源为通信设备提供所需的-48V直流电源，从而不需通信部门自备蓄电池组即可获得安全可靠地通信直流电源，以及满足各种通信设备运行，并保证电力通信网的稳定。

引言：直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
电源是电子产品的一个重要组成部分，电源质量直接影响电子设备的性能。便携式电子产品通常采用电池供电，随着放电的进行，电池电压逐渐降低，电池内阻逐渐增大。一方面，在电池新使用时，端电压较高而电池内阻较小，易造成输出电流大于负载实际需要电流而造成电能的浪费，尤其不利于系统工作时间及待机时间的延长；另一方面，使用一段时问后，端电压降低而电池内阻增大，致使负载变化引起较大的供电电压的变化，又不利于系统维持高性能的工作。此外，在通信及电子计算机产品设计中，为有效地降低功耗，延长工作时间，通常采用低电压技术，随之而来的是电路速度降低、抗噪声性能下降等。为在功耗和其它性能之间折衷，需要针对各电路模块的性能要求采用多电压供电．通过在电池与负载之间接入多个DC／DC电压转换器可很方便地实现多电压供电。鉴于以上众多原因，需要效率高、体积小、重量轻的开关电源。

所谓开关式电源，就是利用现代电力电子技术与微电子技术，控制半导体功率开关器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它通过用电子线路组成开关式(方波)电路来达到对电能的转换。开关电源是电力电子技术与微电子技术紧密结合的一种技术。只有电力电子技术和微电子技术同步发展，开关电源才能得到发展。开关电源一般由控制信号产生电路、功率半导体期间和滤波电路构成。其中的核心部分是控制电路。开关电源中的功率管工作在截止区和饱和区。功率管截止时，相当于机械开关的断开，功率管饱和时，相当于机械开关闭合，这种起开关作用的功率管就叫开关管。电源的发展经历了从线性电源、控电源到开关电源的发展历程。其中开关电源有很多优点：一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。早期的PWM开关电源的效率可以达到65％～70％，而线性电源仅为30％’-40％，目前已经有很多开关电源的转换效率达到了90％以上。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设各中，开关式电源已经是相当普遍。由于其明显的优点，已经引起社会各方面的重视而得到迅速推广。

近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资们100亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品己获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。

1 DC/DC转换器电源系统基本工作原理

1.1 DC/DC转换器电源系统基本工作原理

DC/DC转换器电源系统直流输入采用直流供电。直流输入通过后面板的直流输入端子和模块开关断路器分别为系统内变换模块供电。直流输出端子为用户提供其他用途的直流电源。下图为DC/DC转换器系统组成的原理框图。                                                                        DC/DC转换器系统组成的原理框图 图（1）

变换模块把220V直流电整流稳压成需要的-48V直流电，所有变换模块并联输出。系统通过直流输出断路控制直流负载的供电。

1.2通信用DC/DC变换器的主要技术指标

以下为营口供电公司信通中心所用的一种北京动力源公司的一种DC/DC转换器电源的技术指标:

1.主要技术指标：

DC/DC变换器主要技术指标如表1（若变换器技术升级，则以下各指标以变换器升级后的最新版本为准）

DC/DC变换器技术指标表

动力源DC/DC变换器主要技术指标 表（1）

2.通用技术指标：

a．稳压精度：不超过直流输出电压整定值的±0.6%。

b．电压调整率：不超过直流输出电压整定值的±0.1%。

c．电流调整率：不超过直流输出电压整定值的±0.5%。

d．均流误差：当整流器的输出电流在50%~100%的额定电流范围内时，其均分负载电流不平衡度≦±3%额定电流值。

e．可闻噪音：≦55dB。

f．杂音电压：电话衡重杂音电压：300Hz~3400Hz≦2.0mV。

峰-峰值杂音电压：0Hz~20Hz≦200mV。

宽频杂音电压：3.4KHz~150KHz≦50mV。

g．绝缘电阻：在正常大气压条件下，相对湿度为90%，试验电压为直流500V时，变换模块主回路的部分和直流部分对地绝缘电阻均不低于5MΩ。

h．抗电强度：

①在不接入防雷器、变换模块、控制器和信号灯时，直流电路应能承受其峰值的3535V直流电压1min且无击穿活飞弧现象，漏电流≦30mA。

②直流输出对机壳应能承受其峰值的1414V直流电压1min且无击穿活飞弧现象，漏电流≦30mA。

i．其它保护工程：

①短路保护功能：点变幻模块直流输出电流大于110%额定输出电流时实施短路保护，降低输出电压，限流输出；故障消除，自动恢复正常工作。

②散热器过问保护：当散热器温度在110℃±10℃范围时，变换模块实施过温关机保护；故障消除，自动恢复正常工作。

1.3 DC/DC变换器模块工作原理

DC/DC变换器模块主要由输入滤波电路、缓启动电路、PFC有源功率因数校正电路、PWM高频开关DC-DC变换电路、输出整流滤波电路等部分组成。图2是DC/DC变换器模块的原理框图。

DC/DC变换器模块基本原理框图 （图2）

DC/DC变换器模块采用有源功率因数校正技术、高频软开关PWM控制变换技术、民主均流技术，具有直流输入过压、直流输入欠压、直流输出过压、直流输出限流与短路保护和散热器过温等保护功能。

2 DC/DC变换器在电力通信电源系统中的应用

2.1通信电源系统的简介

众所周知，通信电源在通信工作中占有极为重要的位置，一旦通信电源发生故障而停止供电，必将造成通信中断。同时，随着通信技术的发展，通信设备的不断更新，现代通信对通信电源的要求也越来越高。

通信电源的作用是向通信设备提供直流电或交流电的电能源。通信电源是整个通信设备的重要组成部分，就像人体的心脏一样，电源设备的质量及供电的可靠性，将直接影响整个通信及其质量，电源设备如发生故障，就会阻断通信或降低通信质量。

完整的通信电源系统的组成由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成,其组成方框示意图如下图3所示：

通信电源组成方框示意图 图（3）

1、交流供电系统

交流供电系统由主用交流电源、备用交流电源、高压开关柜、电力降压变压器、低压配电屏、低压电容器屏和交流调压稳压设备及连接馈线组成的供电总体。

主用交流电源均采用市电。为了防备市电停电,采用油机发电机等设备作为备用交流电源。大中型电信局采用1OKV高压市电,经电力变压器降为380V/220V低压后,再供给整流器、不间断电源设备(UPS)、通信设备、空调设备和建筑用电设备等。小型电信局(站)则一般采用低压市电电源。

2、直流供电系统

在电信局（站）中，一般把交流市电或发电机产生的电力作为输入，经整流后向各种电信设备和二次变换电源设备或装置提供直流电的电源称为直流电源。由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备和相关的配电线路组成的总体称为直流供电系统。

目前高频开关整流器在技术上已经相当成熟，由于具有小型、轻量、高效、高功率因数和高可靠性等显著优点。高频开关整流器机架的输出功率大,机架上装有监控模块,与计算机相结合属于智能型电源设备。

阀控式密封铅酸蓄电池是一种在使用过程中无酸雾排出,不会污染环境和腐蚀设备,可以和电信设备安装在一起,平时维护比较简便,体积较小,可以立放或卧放工作,蓄电池组可以进行积木式安装,节省占用空间。

3、接地系统

为了实现各种电气设备的零电位点与大地有良好的电气连接,由埋入地中并直接与大地接触的金属接地体(或钢筋混凝土建筑物基础组成的地网)引至各种电气设备零电位部位的一切装置组成接地系统,即由接地体、接地引入线、接地汇集线和接地线组成。电信电源按照接地系统的用途可分为工作接地、保护接地和防雷接地。按照安装方式可分为分设的接地系统和合设的接地系统。

2.2营口地区变电所通信电源系统

目前营口地区变电站通信电源系统主要有如下三种模式：

（1）、交直流双供电源系统，如下图所示

交直流双供电源系统 图(4)

开关电源的电源输入为变电所内交流380V和所内直流屏提供的-220V直流电源，分别通过开关电源的AC/DC，DC/DC模块得到-48V电压，在提供给直流屏，通过直流屏分配到各个通信设备负载。直流屏起到的作用为不同容量的负载分配电能，当直流供电异常时要产生告警或保护。如熔断器断告警等。

（2）、由蓄电池组提供直流电的系统。其框图如下所示

含蓄电池组的通信电源系统 图（5）

这种供电模式为通信自主放置蓄电池组，蓄电池的作用是当市电异常或在开关电源中的整流器不工作的情况下，由蓄电池单独供电，担负起对全部负载供电的任务，起到备用作用。在市电正常时，虽然蓄电池不担负向通信设备供电的主要任务，但它与供电主要设备——与整流器并联运行，能改善整流器的供电质量。此种模式下直流屏还起到电池欠压告警、电池过放电保护等。

通信电源阀控式密封蓄电池要求电池失水少，采用不含锑的铅钙合金做板栅，同时采用极板为管状，从而减小电池的正负极板自放电和氢气的生成。因此，存储寿命长，活性物质的有效利用率交高。以大电流放电，能低温放电。

（3）、在一些厂矿变或二次变，通信电源系统采用如下模式：

所内直流单独供电系统图（6）

直流输入直接取变电所内直流屏-220V直流电通过DC-DC变换器转换为通信设备所需的-48V电压。

2.3电力通信电源采用DC/DC变换电路的优势和必要性

由以上各个系统比较不难看出，如果通信设备所需的低压-48V直流电直接从电力室供给，则线路损耗一定很大、环境电磁辐射也会污染电源，供电效率很低。用DC-DC变换器的应用极大地提高了供电效率，通过这些直流变换器可以将电力室送来的高压直流电变换为所需的低压直流电。

DC/DC变换器能为通信设备的内部电路提供非常稳定的直流电压。在蓄电池电压（DC-DC变换器的输入电压）由于充、放电而在规定范围内变化时，直流变换器的输出电压能自动调整保持输出电压不变。从而使交换机的直流电压适应范围更宽，蓄电池的容量可以得到充分的利用。

另外，通信设备所需的工作电压有许多种，这些电压如果都由整流器和蓄电池供给，那么就需要许多规格的蓄电池和整流器，这样，不仅增加了电源设备的费用，也大大增加了维护工作量。

尤其是近年来农网改造工程正在深入进行，以前的农电系统规划配备越来越多的通信设备，由于受个别农电机房空间面积限制，放置和安装机柜就变得不太方便，如果选用合适的DC/DC变换器就可以直接采取所内直流屏电压，规划就可以省去蓄电池组，这样既保证了通信设备对电源的要求，又节省了工程费用，按没站24块一组的蓄电池配备，即节省了三万元的工程费，同时减少了施工的工作量和以后维护量。

通信电源采用DC/DC变换电路也是由电路本身的优点决定的。一般而言DC/DC变换电路有如下特点：

（1）、输入与输出完全隔离，安全可靠。

（2）、先进的电流控制模式和稳定可靠的电路拓扑结构。

（3）、关键零部件全部采用进口器件，主要技术指标远高于国家有关标准。

（4）、保护功能全面，输出过欠压、过流、短路、整机过热保护。

（5）、采用无主自动均流技术，可并机使用，扩容方便。

（6）、可交直流双输入，交流和直流完全电气隔离。

2.4采用DC/DC变换电路的技术注意要点

（1）、DC/DC电源模块，输入输出端都加有滤波措施，一般能够有效的抑制来自输入侧的EMI杂波和户动浪涌电流，如供电质量较差或对电源系统有更多的要求，可在模块的前后分加滤波网络。

（2）、直流输入电压极性不能接反，也不能超范围使用，否则会使模块永久失效。

（3）、使用电源时，一般选在20%～80%的额定功率为最佳，不能后期超额定功率使用，以免影响模块的使用寿命。

（4）、当输出的电流较大时，传输电流的线径不能过长，或过细以免造成大干扰和误差。

（5）、对自然散热的DC/DC电源模块，要保证使用的环境温度不能超出所给温度范围，以免造成过热损坏。

（6）、对要加散热器的DC/DC电源模块要有足够的散热器，使壳体的温度在安全范围，以保证模块的使用寿命，避免模块因温度过高造成永久失效

3 总结和展望

本文详细介绍了电力通信电源系统，以及DC/DC变换电路开关电源现阶段在通信电源中的应用。随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，DC/DC模块电源越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。以下是本文的扩展内容，简单介绍一下新的DC/DC变换器技术。

1、VRM技术
    就DC/DC变换器而言，由于现代微处理器和一些超高速大规模集成电路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低电压（2.4V～3.3V）、大电流（>13A）状态下工作，而其直流母线电压通常为5V～12V。这样，就需要将直流母线电压通过DC/DC变换器进行变换，通常用VRM来实现。显然，随着芯片集成密度、工作速度的进一步提高，芯片的工作电压将进一步下降，工作电流进一步增大。人们对VRM提出了新的挑战，要求VRM具有非常快速的负载电流响应，在保证足够小的体积的同时，还要具有高效率。要使VRM具有快速的负载电流动态响应，传统的解决办法是在VRM的输出端并联很多容量很大、等效串联电阻很小的退耦电容器。显然，该方法存在如下问题：

（1）、退耦电容器体积很大，而现代微处理器对VRM的体积有着严格的要求。
（2）、退耦电容器仅能改善动态响应的影响阶段，对后阶段及总的动态响应时间没有作用。
一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构是其最新的解决方案，如图（7）所示，该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减少输出滤波电容器的容量，而且能大大减少VRM输出滤波电感的电感量。除此以外，为了提高VRM的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感，其最有效的解决方案是将VRM作成“装在印刷板上”的直流分布式电源形式，直接装在负载附近。另一方面，还要求VRM本身具有十分小的引线电感，为了保证VRM具有足够的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型变压器。

图（7）

2、软开关技术
    为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，改善动态响应，高频化是DC/DC变换器技术发展的必然趋势。但高频化又会产生新的问题，如开关损耗及无源元件的损耗增大，高频寄生参数及高频EMI问题等。应用各种软开关技术（包括无源无损软开关技术，有源软开关技术）可以减少开关损耗，提高效率。1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC/DC及AC/DC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨，指出高功率密度DC/DCZVS开关变换器与器件性能、无源元件、封装技术等有很大关系。与1994年对比，2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，这种变换器功率密度提高一倍，成本降低一半。
进入二十一世纪，各种软开关技术，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全桥ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的开发和应用都有较大的发展。美国Vicor公司生产的48V/600WDC/DC开关变换器模块，由于采用高频软开关技术，功率密度达到7.32W/cm3,效率为90％，而3MHz、低电压（1V）输出的便携式DC/DC变换器也正在研究开发中。
3、高频磁技术
    随着电力电子电路与系统的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能（开关尖峰能量、噪声水平等）产生重大影响，尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻（Rac）和分布电容等在低频和高频下的表现有很大不同。
20世纪90年代高频磁技术研究的另一项成果是适用于薄型高频开关变换器的薄型平面变压器，其厚度小于1cm，呈扁平状。绕组采用铜箔或板型印刷电路，省去绕组骨架，有利于散热，漏感小，集肤效应损耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是：（1）、高温超导；（2）、将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在铁氧体上；（3）、录音磁头用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在铁氧体上。
将变压器和电感器集成在一起可缩小磁元件的体积，应用混合功率封装技术和集成磁技术可使航空用0.5MHz、薄型100W半桥式DC/DC变换器的厚度仅为5.08mm，功率密度达9.15W/cm3。压电变压器的应用也使功率变换器电路小型化，如输出24W的2MHz的DC/DC变换器，应用压电变压器的变比为5：1，在DC/DC开关电源领域有着广阔的应用前景，压电变压器的应用将开创DC/DC变换器小型化的发展之路。

4 结束语

总之,电力电子及开关电源技术随应用需求而不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域，还有其它许多的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。