清华大学 蔡宣三
[摘要]简要回顾了20世纪通信开关电源技术发展和取得的成就；高功率密度、高功率、高性能、高可靠性仍然是今后通信开关电源的发展方向。提出了21世纪我国应注意开发的通信开关电源技术；碳化硅(SiC)功率半导体器件、平面磁心及平面变压器、集成磁元件、磁电混合集成元件、S4高功率因数开关变换器、低电压大电流DC-DC变换器(VRM)、电源EMI、可靠性和热分布的设计及测试等技术的开发、研究与应用等。
关键词：通信 开关电源 DC-DC开关变换器 通信用AC-DC电源早期采用铁磁谐振稳压器(FerroResonance
Stabilizer)和半导体整流器组成的电源系统。70年代改用相控稳压电源(Phase-Conrolled Stabilizer)以晶闸管(Thyristor)即硅可控整流元件(SCR)为主，组成380(220)V
AC/48V DC稳压系统，称为相控整流器(Phase-Conrolled Rectirier)。所需±5V、±12V
DC由线性电子稳压电源或其它稳压电源供给。
80年代，大功率AC/DC开关电源(400V AC输入、输出48V DC、500W-6kW)成为通信系统一次电源的主流产品，称为开关整流器SMR(Switching-mode
Rectifier)。配置48/±5，±12V DC-DC开关变换器模块和铃流模块，称为二次电源。开关整流器与相控整流器比较，在体积、重量和效率几方面更为优越(表1)。
随着微处理器ULSI尺寸不断减小，供电电源的尺寸与微处理器相比更大得多，需要发展小型轻型电源(见表2)；电源的小型化、轻量化，对便携式通信设备(如移动电话等)更为重要。为达到高功率密度，必须提高开关电源工作频率。下代微处理机还要求更低输出电压(≤1V)的开关电源。
对通信开关电源的要求是：高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数(AC输入端)，以及智能化、低成本、EMI小、可制造性(Manufacturability)、分布电源结构(Distributed
Power Architecture)等。
20世纪推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：
1.新型高频功率半导体器件
如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源工作频率可达到400kHz(AC-DC开关变换器)和1MHZ(DC-DC)开关变换器，实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效低电压输出(≤3V)的开关电源创造了条件。
2.软开关技术 PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中，电压下降/上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术，或称软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。
90年代中期，30A/48V开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PWM技术后，重7。比用PWM技术的同类产品，重量下降40％。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率，据说，最近国外小功率DC-DC开关电源模块(48/12V)总功率可达到96％；48/5V
DC-DC开关电源模块的效率可达到92-93％。20世纪末，国内生产的50-100A输出、全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93％。
3.控制技术 电流型控制及多环控制(Multi-loop control)已得到较普遍应用；电荷控制(Charge
control)，一周期控制(One-cycle control)，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。
4.有源功率因数校正技术 由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率校正技术(Active
Power Factor Correction)，简称APPC，可提高到0.95-0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFCA则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。
国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6kW、100A通信用AC-DC开关电源中，输入端功率因数可达0.92-0.93。
5.Magamp后置调节器技术 80年代，由于高频磁性材料，如非晶态软磁合金(Amorphous)、超微晶软磁合金(Nano-crystalline
alloy)等的发展，使有可能在多路输出的高频(＞100kHz)开关电源中用高频磁放大器(Magamp)，即可控饱和电感(Controlled
Saturable Indutor)，作为其中一路输出的电压调节器(Output Regulator)，称为后置调节器(Post-regulator)。其优点是：电路简单、EMI小、可靠、高效，可较精确地调节输出电压。特别适合应用于输出电流1安到几十安的开关电源。
6.饱和电感技术 饱和电感(Saturable inductor)是带铁心(无空隙)的线圈，其特点是：铁心的饱和程度和电感量随通过的电流大小而变。如果铁心磁特性是理想的(例如呈矩形)，则饱和电感工作时，类似一个开关。在开关电源中，应用饱和电感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡，和快恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。
饱和电感在开关电源中的应用 a)用作移相全桥ZVS-PWM开关电源的谐振电感，从而扩大了轻载下开关电源满足ZVS条件的范围。
b)消除开关电源的二次寄生振荡 与开关电源的隔离变压器副边输出整流管串联，可消除二次寄生振荡(Secondary
parasitic ringing)，减少循环能量，并使移相全桥ZVS-PWM开关电源的占控比损失最小。 c)移相全桥ZVS-PWM开关电源中实现ZV-ZCS
和电容串接在移相全桥ZVS-PWM开关电源变压器原边，超前臂开关管按ZVS工作；当负载电流趋近于零时，电感量增大，阻止电流反向变化；创造了滞后臂开关管ZCS条件，实现移相全桥ZV-ZCS
PWM开关电源。 7.分布电源技术、并联均流技术 分布电源技术(Distributeb Power Technipue)是将250-425/48V
DC-DC变换器产生的48V母线(Distributed Bus)电压，供电给负载板(Board)，再通过板上(On
board)若干个并联的薄型(Low Profile)DC-DC变换器，将48V变换为负载所需的3.3-5V电压。一般，DC-DC变换器的功率密度达100W/in3、效率90％，并且应当是可并联的(Parallelable)。分布电源系统适合于用超高速集成电路(Very
High Speed IC-VHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等，其优点是：可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现N+1冗余(Redundancy)，提高了系统可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化(Modularity)；易于使用插件连接；可在线(On
line)更换失效模块等。 8.电源智能化技术和系统的集成化技术 开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。
以上简要回顾了20世纪通信开关电源发展的历程和取得的成就，上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。
进入21世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同开发下述和通信开关电源相关的产品和技术。
1.探索研制耐高温的高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件 可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器材料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高(可达600℃)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高，等等。
2.平面磁心及平面变压器技术 平面磁心(Planar core)的开发，可实现超薄型(Lowprofile)变压器和超薄型开关变换器。适用于便携式(Portable)电子设备电源及板上(On-board)电源。由于其结构呈宽扁形，散热面积大，更适合于高频变压器。
平面变压器要求磁心、绕组，铜箔绕组等。据报道，国外已有多家公司开发了平面变压器。提箱内可放总功率达几十kW、十几种平面变压器。效率97-99％；工作频率50/Payton公司制造的5W-20kW变压器，其体积及功率密度仅为传统高频变压器的20％，一个手提箱内可放总功率达几十kW、十几种平面变压器。效率97-99％；工作频率50kHz-2MHz；漏感＜0.2％；EMI小。
3.集成高频磁元件技术及阵列式(Matrix)磁元件技术 将多个磁元件(如多个电感，变压器和电感)集成在一个磁心上。可以减少变换器体积，降低磁元件损耗。国外已有集成磁元件变换器(Integrated
Magnetics Converter)的报道：50W输出、5V及15V两路、100kHz，DC-DC正激变换器，变压器和输出滤波电感在一个磁心上实现，简称IM变换器。
阵列式磁元件技术是将电路中磁元件离散化，形成分布式阵列布置，或形成“磁结构层”，使磁结构与电路板或其他器件紧密配合，集成化。
4.磁电混合集成技术 包括磁心与晶体管硅片集成、利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。 5.新型电容器。
研究开发适合于能源和功率系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。据报道，美国南卡罗里那州KEMET电子公司在90年代末，已开发出330μF新型固体(Solid
Tantalum)电容，其ESR从原来的500mΩ降到30mΩ。 6.S4功率因数校正(PF Corrected)AC-DC开关变换技术
一般高功率因数AC-DC开关电源，要用两个电力电子电路串级(Cascade)运行，在DC-DC开关变换器前加一级前置功率因数校正器。对于小功率PWM开关电源，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路，总体效率低、成本高。
用一级AC-DC开关变换器实现小功率稳压或稳流电源，并使输入端功率因数(PF)校正到0.8以上，称为单管单级(Single
Switch Stage)，简称S4功率因数校正(PF Corrected)AC-DC开关变换器。例如，前置功率因数校正用DCM运行的DCM运行；两级电路合用一个主开关管，因为反激电路有隔离变换器，故称S4功率因数校正隔离式AC-DC开关变换器。当然，如果加有源钳位或其他软开关技术，还需要一个辅助开关管，称为单级(Single
Stage-S2)有隔离正软开关电源的实验结果；效率86.5％，功率因数0.98，THD13％，开关频率150kHz，输入155VAC，输出28V，80W。
7.输出1V/50A的低电压大电流DC-DC变换器。 为适应下一代快速微处理器、可携带式通讯设备、服务器(Server)等供电的需求，要求开发低输出电压、大电流DC-DC开关变换器，或称电压调节器模块VRM(Voltage
Regulator Module)。其输出电压为1.1-1.8V，输出电流达50-100A，电流转换速率达5A/ns。
由于电路有高频寄生参数，当电流大幅度变化时，引起输出电压扰动。为防止这种扰动，过去采用增大输出滤波电容、电感的方法，但缺点甚多。国外开发了用多输入通道(Multi
Channel)或多相(Multi-Phase)DC-DC变换器作为服务器的电源。输出采用波形交错叠加(Interleaving)方案，保证VRM输出纹波小，改善输出瞬态响应，并减少输出滤波电感和电容。
表3为减小VRM输出纹波的两种方案比较： 8.通信开关电源的设计、测试技术 主要是电源热设计及测试，EMI设计及测试，可靠性设计及测试等技术的开发、研究与应用。