高稳定性开关电源在DX系列中波发射机中的技改应用与分析

王兴松

(国家新闻出版广电总局七五一台)

摘 要：通过研究分析，发现DX系列中波发射机中电源设计部分存在的不足，提出高稳定性的+24V开关电源替代分立的+24V非稳压电源组件，实践证明，+24V供电电源的稳定性大大提高，确保发射机安全稳定运行。关键词：DX系列中波发射机 开关电源 +24V非稳压电源组件 1 引言电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。而开关电源是目前应用最为广泛地一种电源装置，开关电源以其损耗低、效率高、电路简洁显著优点而受到人们的青睐，并广泛地应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。输出稳定性决定电源成败。电源除了我们最关心的额定功率，以及可直接感触到的静音和散热、线材接口等外部特征因素外，转换效率也越来越备受重视，但是，电压稳定性、输出纹波等关系到电源品质的内部电性特征却不为人所关心和了解，而在一定程度上，这两点更能反应一个电源的品质和功夫内涵。2 开关电源基本原理2.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理可以简单的用图1进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或者断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压U0。

图1 开关电源工作原理

为了便于分析，定义脉冲占空比如下：D= Ton/T 式中，T表示开关S的开关重复周期；Ton表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui之间有如下关系式：U0 = Ui D由上面两个关系式可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间Ton，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T不变，只改变Ton来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用的较多，本文中所提到的开关电源就属于PWM式开关电源。2.2 开关电源的组成原理开关电源的组成原理如表1所示^[[1]]。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或者自激电路产生，可以使PWM信号、PFM信号或者其它信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，已达到稳定输出电压的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

图2 开关电源的组成原理

3 分立的+24V非稳压电源组件电源性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作，传统的电源主要以线性电源为主，其工作过程为：将工频电网电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一组纹波电压和稳定度均符合要求的直流电压。这种电源的优点是：⑴电源稳定度和负载稳定度较高；⑵输出纹波电压较小；⑶瞬态响应速度快；⑷线路结构简单。这种电源的缺点是：⑴功耗非常大、效率比较低，效率一般只有45%左右；⑵重量非常重、体积庞大；⑶必须使用较大容量的滤波电容；⑷输入电压动态范围小；⑸输出电压调整麻烦，并且通过改变线性变压器初级线圈匝数，仅能步进调整输出电压。^[[2]]DX系列中波发射机中使用的分立的+24V非稳压电源组件属于传统电源，它仅由一个美国Acme电气公司线性变压器(500B24HA)、一个桥式整流器(GBPC5002)及一只滤波电解电容器(33000μF/50VDC)组成。该电源组件的输入端为工频电网220V电压，输出端为标称的+24V非稳压电源，通过改变输入端的连接抽头，可以适当改变输出端的非稳压电压范围。在DX系列发射机单个功放单元(简称PB)中，这种+24V非稳压电源组件的输出送至低压电源板，经低压电源板稳压后提供给发射机可编程逻辑控制器(简称为PLC)、缓冲放大器、大部分板卡+18V/-18V/+8V的工作电源；在DX系列发射机并机网络中，这种+24V非稳压电源组件的输出分别送至低压电源板，经低压电源板稳压后提供给发射机合成器单元触摸屏(简称为MMI)、PLC、所有模式/辅助接触器、大部分板卡的工作电源。其供电线路简图如图3所示。

图3 +24V非稳压电源组件供电线路简图

在实际应用中，除了线性电源固有的缺点外，美国哈里斯公司设计人员未认真考虑每一部分所需要电源的实际额定功率情况，而是统一采用这种+24V非稳压电源组件；并且对于一些关键部位仍然采用+24V非稳压供电，不利于其稳定可靠运行；这种分立元件组成的非稳压电源，由于元器件老化或变质，极易出现噪声大、输出直流电压不稳定等毛病。笔者提出利用目前市场上广泛使用的开关电源代替传统的线性非稳压电源的技改方案。4 技改及应用情况开关电源是近代普遍推广的稳压电源，其主要特点有：⑴内部功率损耗小，转换效率高，一般可达90%以上；⑵体积小，重量轻；⑶稳压范围宽，输出电压在一定范围连续可调；⑷滤波效率大为提高。⑸安全可靠，内部具有各种形式的保护电路，当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。4.1 开关电源的选型首先，确定选择专业电源供应商的台湾明纬公司的开关电源。其次，根据电压和电流范围，进一步确定所需开关电源的额定功率。下面以DX系列中波发射机并机合成器控制单元和发射机控制单元的开关电源选型为例进行说明。根据实际电路，通过测试，得到各自+24V非稳压电源组件输出的总功率如表1所示。由表1可以看出，发射机并机发射机控制单元最大总输出功率为69.96W，发射机并机合成器控制单元最大总输出功率为42.408W，因为开关电源的功率比较足，但是为了延长开关电源的使用寿命，一般要选择多30%以上输出功率的开关电源。查询台湾明纬公司的开关电源产品，根据实际冗余量的需要，最终选择SDR-120-24开关电源代替发射机并机合成器控制单元中+24V非稳压电源组件，选择SDR-240-24开关电源代替发射机并机发射机控制单元中+24V非稳压电源组件。

表1 各路+24V非稳压电源组件输出的总功率

(a)发射机并机发射机控制单元
		总输出电流	标称输出电压	总输出功率
待机状态		2.915A	+24V	69.96W
高功率开机状态		2.67A		64.08W
调幅度m=95%		2.655A		63.72W
(b)发射机并机合成器控制单元
		总输出电流	标称输出电压	总输出功率
无并机模式切换状态	待机状态	1.501A	+24V	36.024W
	高功率开机状态	1.366A		32.784W
	调幅度m=95%	1.35A		32.4W
并机模式切换瞬间状态	待机状态	1.767A	+24V	42.408W
	高功率开机状态	1.632A		39.168W
	调幅度m=95%	1.62A		38.88W
说明：功率因素cosφ≌1

这两款开关电源均是单组输出导轨型具功率因素校正(简称为PFC)功能的开关电源，它们内部原理方框图如图4所示。该系列开关电源峰值功率可达150%额定输出功率，输出电压连续可调且调整范围宽，同时内部含低压保护、过载保护、过压保护、过流保护等多种保护电路。

图4 开关电源的内部原理方框图

4.2 开关电源的安装由于相比+24V非稳压电源组件而言，开关电源的体积大大减小、重量大大减轻，所以在拆除+24V非稳压电源组件之后，再安装开关电源及其简便。安装时，事先将标准的35mm铝合金外卡导轨固定在机箱壳体上，然后将这种导轨型开关电源安装在导轨上即可。这种导轨型开关电源与普通的开关电源相比，除了安装方式不同之外，没有任何区别。为了达到充分散热的目的，一般开关电源宜安装在空气对流条件较好的位置或者安装在机箱壳体上，通过机箱壳体将热传达出去。由于设计中仅通过自然风冷却，为了进一步提高冷却效果，笔者还自行加装了一个40W的排风扇，以利开关电源散热，延长其使用寿命。改造前后的安装效果图如图5所示。

图5 TCU电源小盒改造前后的安装效果图

4.3 开关电源的应用效果在DX系列中波发射机中，+24V非稳压电源组件的地位非常重要，它几乎提供了所有板卡的工作电源，以及PLC工作电源、触摸屏工作电源、模式/辅助接触器直流马达工作电源等等。这个+24V电源输出电压的不稳定，必将造成对发射机设备或者器件或大或小的影响。比如，对于直流+24V供电的PLC而言，原则上应采用直流稳压电源供电。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。一般不能使用仅通过单相式桥式整流的直流电源直接对PLC进行供电。在系统组成较复杂时，应使用独立的稳压电源单独对PLC供电。然后，DX系列中波发射机原设计直流+24V供电的PLC电源却为单相式桥式整流的非稳压电源，设计中存在明显缺陷。经过技术改造之后，电源系统的质量得以明显改善，可以从以下两个方面进行说明：⑴输出纹波。电源输出的直流电压是通过将交流电压整流滤波转换而来，那么在直流输出中就不可避免地含有交流成分或者周期性的杂波信号，这就是我们所说的输出纹波，纹波越小，电源品质越优秀。纹波是非常难以遏制的，电流越大，产生的纹波越大。纹波会带来的危害有：降低转换效率；形成浪涌；带来纹波噪音。而采用含功率因素校正功能的开关电源，纹波极小，明显好于普通电源。图6所示为+24V非稳压电源组件和开关电源空载时输出电压波形，从图中明显看出开关电源产生的纹波远远好于+24V非稳压电源组件。

图6 两种电源空载时输出电压波形

⑵电压稳定性。电压稳定性是电源最重要的品质之一，很多烧毁硬件的事故都是由于电压稳定性差(电压偏移幅度过大)造成的。实际电压与标准电压的偏移值越小，表示电压稳定性越好。电压稳定性的问题其实就是交叉负载能力，交叉负载表征的是电源在各种负载配比下各路电压能否保持稳定的能力。经出厂测试，+24V非稳压电源组件空载输出电压为31.0V，半载输出电压为28.4V，满载输出电压为26.7V，可知其电压稳定性较差。表2所示为+24V非稳压电源组件和开关电源分别在两种不同状态时电压偏移情况，从表中明显看出开关电源的电压稳定性远远好于+24V非稳压电源组件。

表2 两种电源不同状态时电压偏移情况对比表

+24V非稳压电源组件
输出端	待机	高功率开机	电压偏移△V	电压偏移幅度
J1-4～J1-5	25.88V	25.61V	0.27V	-1.04%
J4-4～J4-5	25.88V	25.56V	0.32V	-1.24%
SDR-240-24开关电源
输出端	待机	高功率开机	电压偏移△V	电压偏移幅度
J1-4～J1-5	25.92V	25.92V	0V	0%
J4-4～J4-5	25.82V	25.81V	0.01V	≌0%

5 结束语开关电源具有高效、稳定、可靠的特点，并且属于免维护器件，在实际应用中，取得了良好的效果。经过改造后，也节省了安装空间，根据需要还可以设计备份冗余+24V开关电源，实现双电源并联供电，提高发射机供电的可靠性。 编辑：中国新闻技术工作者联合会