程控交换机等通信设备一旦安装开通，就长期连续工作，不能间断，因此要求通信电源

①应具有高效率、高可靠性，并能长期连续稳定工作。

②应实现全自动化，无需工作人员直接操作。

③应具有监控和三遥（遥测、遥信、遥控）功能，可实现计算机管理，以适应现代通信发展的需要。为了减小整机体积和重量，并增加备份，方便扩容，电表单元、交流配电模块、高频开关整流模块、直流配电模块、监控模块等部分置于同一机框内。根据电源容量需要，装入适当块数的高频开关整流模块，随着交换机容量的扩大，还可陆续增加整流模块，以满足通信设备的需要。

2.1 高频开关整流模块

由于该电源的高频开关整流模块的输出既对通信设备供电也同时给额定电压为48V的蓄电池组充电，因此其最高输出电压可达56.4V（在对蓄电池均充时），额定输出电流为 25A，其输出的最大功率为，属于中等功率，鉴于此，可采用单相交流电对其供电。

2.1.1 变换器电路

开关电源采用常规的PWM 方式工作[9]，在开关转换期间，功率器件上会同时承受高电压和大电流，造成转换时功率损耗较大，有时功率器件发热严重，影响可靠性，而且随着工作频率的提高，这种现象更为严重。为了减少开关损耗，提高工作频率并增加可靠性，人们在PWM 硬开关的基础上提出几种软开关电路拓扑，主要有准谐振开关变换器（QRC），多谐振开关变换器（MRC）以及相移脉宽调制零电压（零电流）谐振变换器。准谐振变换器和多谐振变换器优点是工作在谐振状态，实现了软开关，大大降低了开关损耗，而且可以吸收电路的寄生参数（不在乎电路的寄生参数存在），几乎不产生电磁干扰。缺点是输出同样功率时，与PWM方式相比，其正弦波电流峰值较大，对开关器件要求较高，此外其正弦波较高的峰值电流引起的正向导通损耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低开关损耗的好处，而且工作频率随输入电压和负载变化有一定的变化范围，不便设计输出滤波电路的参数。相移脉宽调制零电压开关(谐振)变换器仍采用PWM工作方式，只在开关转换时采用谐振方式，这样既克服了PWM方式硬开关造成的较大开关损耗问题，又实现了恒频工作，避免了准谐振和多谐振开关变换器工作频率变化及正弦波电流峰值大的缺点。

相移脉宽调制零电压开关(谐振)变换器必须用全桥电路实现，其原理电路如图 2.1 所示[10]。从电路形式上看，它与常规的PWM全桥变换器电路完全相同。PWM变换器采用两个对角开关器件同时驱动导通，将输入电压交错加到高频变压器的初级，并用改变占空比即导通时间的方法实现调整。而在相移PWM电路中，四个开关管连续工作在约50%（略小于50%）的固定占空比上，然后控制左右两个半桥支路之间的相位关系，通过改变输出脉冲的宽度进行调整，当对角开关管同时导通时才输出功率。当接于电源正端的上部开关管（V1、V3）或接于负端的下部开关管（V2、V4）同时导通时，变压器初级实质上被短路，并被钳位于相应的输入电源母线端。由变压器漏感维持电流，创造了实现谐振转换的条件。因此，相移脉宽调制全桥电路同时具有脉宽调制电路和谐振电路的优点，选用此种电路，不但电路简单，而且容易获得较高的技术性能，也可显著提高开关变换器的可靠性。

2.1.2 功率器件和高频变压器

功率器件主要有双极型晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等[11,12]。作为开关功率器件，双极型晶体管因出现的早，过去用的较多，价格较低，饱和压降较小，但这种管子的输入是电流驱动，基极驱动功率较大，驱动电路也较复杂，而且这种器件由饱和状态到关断状态时，由于要将过量的少数载流子从基区除去，所以有一个过渡的存储时间（一般常达几个μs），只有经过此段存储时间以后，器件才开始关断，集电极上才可以承受电压。因此限制了该种器件的工作频率不可能很高，如果要提高工作频率，就要采用抗饱和电路，则增加了电路的复杂性，而且工作频率提高也很有限，另外，在器件的额定工作范围内会产生二次击穿现象，安全工作区窄，器件并联使用时，均流比较麻烦。场效应管是电压驱动器件，输入阻抗很高，几乎不需要驱动功率，大大减化了驱动电路，有时可由CMOS电路和集成电路直接驱动，该种器件不象双极型晶体管有少数载流子储存在基区电荷中，而是多数载流子器件，它不存在存储效应，没有存储时间，高的开关速度使器件在高频下可有效工作，提高了开关电源的工作频率。这种器件不存在二次击穿现象，它的安全工作区范围宽，由电压、电流的额定值和功率负荷所决定。场效应功率管和双极型功率管安全工作区的比较如图 2.2 所示[13]，从图中可看出，在额定电压电流相同情况下，场效应管的安全工作区明显较大。由于该种器件的漏源导通电阻 RDS（ON）具有正温度系数，当温度升高时，RDS（ON）增大，当器件并联应用时，有自动均流作用，均流电路可以非常简单。该种器件的缺点是导通压降较大，而且对静电感应敏感，需要适当的静电放电保护措施。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是新出现的一种器件，是由场效应管和双极型晶体管组合而成，其输入电路如同场效应管，输出电路如同双极型晶体管，因此其输入阻抗高、输出阻抗低、饱和压降小，具有双极型晶体管和场效应管所具有的一些优点，而且耐压高，额定电流大，但其开关输出脉冲的后沿有一个1μs长的拖尾电流，工作频率不能做的太高，而且价格较贵，通常认为，在中、小功率范围内，采用场效应管是适宜的，其开关频率很高，可以减少整个电源的体积、重量和成本，驱动可以采用简单的脉冲变压器，通过管子并联的方案可解决其容量不足问题，其耐压值较低适合单相输入的情况。绝缘栅晶体管输出容量大、耐压高、饱和压降小，是大功率开关电源的首选器件。综上所述，考虑到属于中小功率范围，采用单相交流电供电，全桥变换电路，对功率器件耐压和额定电流要求较低，并且应尽量使电路简化，工作可靠，尽可能提高工作频率，使体积缩小，重量减轻，我们选择了VMOS场效应管。

由于功率转换电路工作在较高频率，接在高频变压器后的整流二极管也工作 在较高频率，整流二极管也需用高频大功率管。大功率高频整流二极管工作在高频状态，应使用具有低的正向压降，小的反向电流，低的反向恢复时间和软恢复特性，同时具有足够的耐压，较高的浪涌能力的整流二极管。肖特基二极管的正向压降很低，其它方面的性能也比较好，但其耐压较低（50V），在本电源中无法使用，因此选用具有软恢复特性的快恢复二极管，以减小电源所产生的噪声[14]。高频变压器是变换器电路的关键部件之一[14,15]，由于功率器件性能的改善以及软开关技术等的采用使得开关器件损耗大为降低，因此，降低高频变压器的损耗已成为提高开关电源效率的重要因素。硅（硒）钢片磁感应强度虽然很高，但在高频下损耗大不能使用。铁氧体磁性材料电阻率高、高频损耗小，但它的饱和磁感应强度太低，所以使用时，需要较大的磁芯面积，且具有易碎性，制造大型磁芯有一定难度。非晶态合金是近年来发展起来的新材料，其磁感应强度高，电阻率大，对涡流阻力大，矫顽力小，损耗低，但以U型供货的磁芯磁感应强度大大降低，而以环形供货的磁芯绕制线圈比较困难，并且尺寸不够大，要满足较大容量的开关电源需求还有待进一步解决。鉴于以上分析，我们选用E型铁氧体磁芯绕制高频变压器，考虑到工作频率较高，为减小趋肤效应的影响，采用铜箔绕制。

2.1.3 控制电路

控制电路的主要功能为：

给全桥变换电路的四个功率开关器件提供固定占空比的驱动脉冲，并控制左右两个半桥支路之间的相位关系，通过改变输出脉冲宽度对输出电压进行调整。

对整流模块电路的检测、保护和告警，主要包括：输出直流电压过压、电流过流的保护及告警，电路过热保护，限流调节、交流电压过压、欠压保护、软启动及模块并联均流等功能。

为监控模块提供电压、电流及控制信号的接口。

移相全桥变换电路需要专门控制芯片驱动。美国 Unitrode 公司推出的 UC3875 是专供移相全桥控制方案使用的 PWM 控制芯片[16],[17]，可驱动全桥变换器中的四个开关管。UC3875主要由以下几个部分组成：基准电源、振荡器、锯齿波发生器、误差放大器、软启动、移相控制信号发生电路、过流保护、死区时间设置、输出级。这是一种电压控制型和电流控制型相兼容的芯片，占空比可调范围为0-100%，开关频率可以达 1MHz，输入电压欠压锁定，低的软启动上升电流，四个输出均为2A图腾柱输出，可以直接驱动MOSFET或经过放大驱动大功率MOSFET或IGBT，因此由该芯片构成的电路简单，所需外围器件少。在UC3875的基础上，采用其它集成电路芯片及相关电路进行检测，并实现整流模块输出电压过压，输出电流过流保护及告警，电路过热保护，交流电压过压，欠压保护，限流调节等项功能。高频开关整流模块工作原理框图如图2.3所示。电路输入端接单相交流220V电压，输入滤波电路起低通滤波器作用，滤除市电电源所附带的干扰，并避免功率变换电路产生的电压、电流尖峰进入市电电源。经滤波后的单相电被整流滤波 成直流电供给全桥式功率变换器，变换器在PWM控制电路的控制下将直流电转换成高频交流方波，经高频变压器隔离并传输到次级，高频整流滤波电路将交流方波转换成直流，再经输出滤波电路滤波后输出电压稳定的直流电。控制电路根据检测到的输出电压的高低，调整控制两个半桥支路的相位关系，改变输出脉冲的宽度，从而调整了输出电压，使输出电压稳定。若检测到输出电压出现过压，负载变重出现过流，功率器件出现过热等现象，保护及告警电路立即切断控制脉冲，使电路停止工作，并发出声、光报警信号，从而避免了事故发生，保证了电路的安全。

2.2交流配电模块

在农村乡镇，大部分地方为单相配电。因此该部分一般是接入单相配电，单相交流电给高频开关整流模块供电，以使供电平衡。该部分还将交流电转换成相应的自流信号供监控模块检测。

2.3 直流配电模块

该部分将4块高频开关整流模块的输出汇合后分成两路，一路直接给蓄电池充电，另一路经电压调整后输出，给程控交换机等通信设备供电（图2.5）。如果市电中断，蓄电池能自动对通信设备供电，若停电时间过长，蓄电池电压降至44V 时，检测控制电路立即将蓄电池的供电电路自动切断，防止蓄电池过放，以保护蓄电池。该部分还应将充电电压、总电流、输出电压、电流转换成相应的直流信号，供监控模块检测。 

2.4 监控模块

监控模块的功能应为：

检测4只高频开关整流模块，交流配电模块以及直流配电模块的电压、电流等参数并显示某些重要参数。

通过对整流模块工作状态的检测，判断其工作状态是否正常，当工作不正常，而整流模块的本身控制保护电路又没有动作时，监控模块可使其自动停止工作，并产生声光报警信号，实现双重保护，以保证电路安全；通过对交流电压的测量，在其电压过高或过低时也使整流模块自动停止工作，当市电电压恢复正常时，又能使整流模块自动开始工作。当市电停电时间较长，蓄电池出现欠压时，可自动切断其供电，防止蓄电池过放，当市电来电，蓄电池电压上升后，又可自动恢复供电。

还应具有本地监控功能。本地监控时通过其RS232串行接口和本地计算机相连实现；当电源的某部分出现故障时，监控模块的面板上会点亮相应的指示灯，并主动将故障情况报告给本地监控计算机，计算机可以巡检并显示电源各部分的电压值、电流值、运行状态和故障内容，也可实现对电源的开机、关机、浮充/均充等工作状态转换和异常情况告警。为完成上述功能，监控模块的电路以单片计算机80C31为核心[18]，扩展输入、输出I/O接口和A/D转换，液晶显示等外围电路，由于要检测的模拟量多达20多个，因此采用具有多路输入的ADC0809 进行模/数转换[19]。由于农村乡镇的工作环境恶劣，供电情况也差，为保证可靠工作，在硬件和软件方面都应采取措施， 增强抗干扰能力。监控模块的电路方框图如图2.6所示。 整机系统组成电原理框图如图2.7所示。单相交流电接入交流配电模块，经分配后，给4只高频开关整流模块提供单相交流电，高频开关整流模块将交流电转换成电压稳定的直流电，接入直流配电模块汇总后，给蓄电池充电，并时对程控交换机等通信设备供电。监控模块对整机各部分进行检测，执行控制、保护、告警及显示等项功能。并可通过RS232接口与本地进行通信，实现集中监控。