CN2653774Y - 用于通信设备的高频开关电源整流模块 - Google Patents

Abstract

一种用于通信设备的高频开关电源整流模块，是由装设有散热块与侧板的机壳、控制面板和其内部控制电路组成的立式模块结构装置；所述控制电路包括有：市电过压保护电路、输入滤波整流电路、提供内部用的辅助电源电路、APFC升压变换电路、DC－DC降压变换电路、输出滤波电路和温控风扇散热电路；其特征在于：在APFC升压变换电路中的采样电路里设有电流互感器的偏磁强迫复位电路，以扩展低市电输入时APFC升压变换电路工作脉冲的占空比；在辅助电源电路中增设放电复位电路，提高整流模块对开关机的耐冲击能力。另外，其散热结构布局合理、高效，提高了整机的可靠性与功率密度。该整流模块有很宽的市电输入范围：100V～300V，体积小、重量轻，整机效率高达90％以上。

Description

用于通信设备的高频开关电源整流模块

技术领域

本实用新型涉及一种稳压电源装置，确切地说，涉及一种用于通信设备的高频开关电源整流模块，属于通信设备的电源技术领域。

背景技术

通信设备的高频开关电源一直在朝着高功率密度、高效率、高可靠性和高功率因数的方向发展。目前，国内的高频开关电源技术现状是：单相交流输入的高频开关电源采用有源功率校正(APFC)技术和直流-直流变换(DC-DC)采用软开关技术。而且，我国的开关电源已逐步遍布全国的边缘落后地区。这些地区通常使用小水电供电，由于水流量的变化复杂，用户用电量的变化幅度大，以及用电设备工作的不确定，使得市电经常长时间处于低电压状态；再加上电网频繁地大幅度波动及波形的严重失真，这些都对高频开关电源整流模块(以下简称整流模块)的高可靠性造成严峻的威胁。

针对上述国情，目前国内采取的最新技术措施是：加宽市电输入的工作范围，并在市电的高压端采用过压关机保护和在市电的低压端(通常为140V～187V)采取限制功率或关机保护。如果整流模块长期处于市电供电的较低电压工作状态，尤其是满载时，其APFC升压变换电路工作的占空比θ很大(当市电输入100V满载工作时，θ为0.7～0.8)，容易导致储能电感及电流互感器的饱和，造成功率开关管的损坏及过电流保护的失效。现在，国内通常采用的防止储能电感饱和的方法是降低工作磁通密度，即增加储能电感或整机的体积重量；而电流互感器的防饱和是采用自动磁芯复位技术或去磁电路复位技术，最常用的是自动磁芯复位技术。但是该方法有缺陷：当原边脉冲电流占空比大于0.5时(尤其是单极工作脉冲)，磁芯通常没有足够的能量在下一脉冲前完成复位。去磁电路复位技术常用的电路是开关式去磁电路、恒流源和附加绕组去磁电路、加中间抽头绕组及导向二极管去磁电路等，这些去磁电路的设计和加工工艺都比较复杂，成本高。目前，对于抑制开机的浪涌电流，国内还是采用RC延时软启动的办法。边缘落后地区的市电经常会产生大幅度的频繁波动，甚至超出输入的工作范围，使得整流模块频繁地开机和关机；甚至有时在短短的几秒钟内都会反复关机开机好几次。这样，使得软启动电路中的电容电压没有放完又要充电，延时时间将大大减小，以至软启动性能下降，流过功率管的启动电流加大，降低了整流模块的工作可靠性。除了上述电应力以外，温度也是影响开关电源可靠性的最重要因素。整流模块内部有大量的大功率发热元件，过高的温升将导致半导体及电解电容失效。所以，通常采用强迫风冷的散热方式，以减小散热器的体积和重量。目前最常见的强迫风冷是通过风扇水平送风，没有充分利用自然对流的热空气温差和浮力效应，因此不能使散热效率达到最佳。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于通信设备的高频开关电源整流模块，该模块克服了上述技术缺陷，扩展APFC升压变换电路中电流互感器工作的占空比，优化APFC升压变换电路中储能电感的设计，提高整流模块长期工作于低市电的可靠性；还在辅助电源增设放电复位电路，提高整流模块对开关机的耐冲击能力；另外，其散热结构布局合理、高效，提高了整机的可靠性与功率密度。

本实用新型的目的是这样实现的：一种用于通信设备的高频开关电源整流模块，是由装设有散热块与侧板的机壳、控制面板和其内部控制电路组成的立式模块结构装置；所述控制电路包括有：市电过压保护电路、输入滤波整流电路、提供内部用的辅助电源电路、APFC升压变换电路、DC-DC降压变换电路和输出滤波电路和温控风扇散热电路；其中APFC升压变换电路由主电路、采样电路和APFC控制保护电路组成；DC-DC降压变换电路由主电路、采样电路、DC-DC控制保护电路、均流控制电路和监控模块的连接电路组成；其特征在于：在所述APFC升压变换电路中的采样电路里设有电流互感器的偏磁强迫复位电路，以扩展低市电输入时APFC升压变换电路工作脉冲的占空比；在所述辅助电源电路中增设放电复位电路，提高整流模块对开关机的耐冲击能力，使关机后马上开机启动时，软启动RC电路中的电容的电压从2V以下开始充电，以至软启动时间内APFC升压变换电路、DC-DC降压变换电路的占空比实现由窄到宽的调节过程，降低流过开关管的开机浪涌电流。

所述电流互感器的偏磁强迫复位电路是由UC2855B集成电路的第8管脚的基准电源串接一个电阻和整流二极管组成，该偏磁强迫复位电路设置在电流互感器的副边端。

所述电流互感的偏磁强迫复位电路中的UC2855B集成电路是UNITRODE公司生产的高性能功率校正控制器芯片。

所述辅助电源电路中增设的放电复位电路是由一个三极管开关电路及在该三极管的集电极与地之间连接的一个充放电电容组成，该放电复位电路设置在UCC2804集成电路的第7管脚VCC电压端与地之间。

所述辅助电源电路的放电复位电路中的三极管开关电路是由一个PNP型三极管及其基极连接的分压电阻、在该PNP型三极管的基极与地之间并接的一个电容和一个二极管组成。

所述辅助电源电路的放电复位电路中的UCC2804集成电路是UNITRODE公司生产的低功耗电流模式的脉宽控制器芯片。

所述温控风扇散热电路包括有风扇控制电路、风扇、散热块及检测散热块温度的NTC热敏电阻。

所述温控风扇散热电路中的风扇是德国PAPST公司的产品，其型号为：1.6W～12VDC-612NN。

所述控制电路中的各种功率管、电感和变压器发热元器件都设置在风扇的风道上，并在风道上设置储能电感和导电铜片，以便将风分送到整流模块内部控制电路的各个地方。

本实用新型的主要优点是：1、具有很宽的市电输入范围：100V～300V，由于APFC升压变换电路中采用电流互感器的偏磁强迫复位电路，工作的占空比可高达0.9，低市电长期工作的可靠性高。2、增设辅助电源的放电复位电路，提高了开关机的耐冲击能力。3、独创的温控风扇电路和散热结构设计，使整流模块的散热块温升不超过30℃，并延长了风扇使用寿命。此外，采用表面贴装和插孔元器件混合装配的工艺，选用世界著名品牌(如SIEMENS等)的磁性材料和风扇，在电路板上合理地设置和排布散热元器件，形成高效的散热结构模式，使整机的体积小、重量轻，功率密度为562W/Kg(0.384W/cm³)。本实用新型还在DC-DC降压变换电路采用先进的软开关技术(电压过零谐振开关ZVS)，减小开关损耗及电磁干扰，使得整机效率高达90％以上。

附图说明

图1为本实用新型整流模块的外观示意图。

图2为本实用新型整流模块的局部散热结构示意图。

图3为本实用新型整流模块内部控制电路的结构组成方框图。

图4为本实用新型整流模块内部控制电路中的部分电路(过压保护电路和输入整流滤波)的原理图。

图5为本实用新型整流模块内部控制电路中的部分电路(APFC升压变换电路中的主电路、采样电路和APFC控制、保护电路)的原理图。

图6为本实用新型整流模块内部控制电路中的部分电路(辅助电源)的原理图。

具体实施方式

参见图1至图3，本实用新型是一种用于通信设备的高频开关电源整流模块，是由装设有散热块20与侧板的机壳、控制面板30和其内部控制电路组成的立式模块结构装置；所述控制电路包括有：市电过压保护电路1，输入滤波整流电路2，提供内部用的辅助电源电路6，由主电路3、采样电路4和APFC控制保护电路5组成的APFC升压变换电路，由主电路8、采样电路9、DC-DC控制保护电路10、均流控制电路12、和监控模块的连接电路13组成的DC-DC降压变换电路，输出滤波电路11和温控风扇散热电路7(图1和图2中的40为风扇单元的安装位置，50为功率管)；该整流模块的电路特点是在APFC升压变换电路中的采样电路4里设有电流互感器的偏磁强迫复位电路，以扩展低市电输入时APFC升压变换电路工作脉冲的占空比；在辅助电源电路6中增设放电复位电路，提高整流模块对开关机的耐冲击能力，使关机后马上开机启动时，软启动RC电路中的电容的电压从2V以下开始充电，以至软启动时间内APFC升压变换电路、DC-DC降压变换电路的占空比实现由窄到宽的调节过程，降低流过开关管的开机浪涌电流。

再参见图4至图6，简要介绍本实用新型整流模块内部控制电路的工作原理：市电首先接至过压保护电路1，经EMC输入滤波及整流电路2进行滤波整流，并在辅助电源6工作后，软启动电路工作：继电器RL1吸合；然后是平均电流法的APFC的升压变换，把整流滤波后的直流电压变换为稳定的高压直流400V。其中控制电路采用UNITRODE公司的UC2855B(U30)的高性能功率校正控制器芯片；最后由DC-DC降压变换电路把高压直流400V进行高频降压变换，并经整流滤波后输出标称48V或24V的稳定直流电压。其中DC-DC降压变换电路的控制电路采用UNITRODE公司UC2875相移谐振器芯片，均流控制电路采用UNITRODE公司UC2907负载电流均分控制器芯片。

参见图5和图6，APFC升压变换电路的主电路3由储能电感L6、功率MOS管Q14、Q15、输出二极管D13及储能滤波电容C14～C17组成；其电流采样电路4由互感器T14、二极管D10、电阻R20A、R20B及电容C13等组成；辅助电源6由开关管Q301、低功耗电流模式的脉宽控制器UCC2804(U300)、反激式变压器T301及整流滤波等电路组成。APFC升压变换电路的工作原理是：在辅助电源电路6稳定工作送出直流电压VCC到UC2855B(U30)的第9管脚(VCC)后，通过***的R33、C33软启动，第8管脚(REF)的基准电压爬升到7.5V，UC2855开始正常工作，由第10管脚(GTOUT)送出门极驱动脉冲，直接驱动功率MOS管Q14、Q15。UC2855B的内部有电流误差放大、乘法器、驱动器、软启动电路及过压保护比较器等。

本实用新型用电流互感器T14来检测功率MOS管Q14、Q15的电流，达到隔离、测量精确、损耗低的目的。电流互感器T14原边工作于单极脉冲方式，当占空比大于0.5时，该电流互感器容易饱和，以至过电流保护或PWM调整将失效。因此该电流互感器的磁芯必须在下一脉冲周期前进行复位。本实用新型在电流互感器T14的副边采用偏磁强迫复位电路对该磁芯去磁复位。该偏磁强迫复位电路是由UC2855B集成电路的第8管脚的基准电源串接一个电阻R24和整流二极管D10组成，设置在电流互感器的副边端。利用UC2855B第8管脚(REF)的基准电压经电阻R24产生偏磁强迫复位电流，该电流比自动复位的磁化电流大得多。偏磁强迫复位电流迅速给寄生电容充电，使电流互感器T14次级的电压反向，施加的伏秒能够迅速通过二极管D10续流，从而达到在下一脉冲周期前复位磁芯的目的，使APFC电路工作脉冲的占空比能扩展到0.9以上，而电路工作仍能稳定可靠。该偏磁强迫复位电路，线路简单可行，工作可靠而有效。

若整流模块满载长时间工作于低市电的输入状态，其APFC升压变换电路工作脉冲的占空比θ很大(约0.7～0.8)，储能电感会出现饱和，其表现为：温升很高(约100℃)，有啸叫声，使流过开关功率管的电流急剧加大。本实用新型整流模块的储能电感L6是根据可用的最大电路板空间，选用合适AP值(磁芯窗口面积AW与磁芯截面积Ae的乘积)的有分布气隙的铁硅铝材料(SUPER-MSS)磁芯，确定最大工作磁感应强度BW，反复优化电感量L(电感匝数)、线圈的电流密度J的设计，使电感体积、电感量(电感匝数)、电流之间达到最佳：电流大、体积小、效率高、温升低、成本低。既不饱和，又满足功率因数达0.995以上。再加上储能电感L6处在风道上的有利散热位置，使得整流模块在低市电长时间满载工作时，储能电感L6温升保证在30℃以下。

当接上交流电源，市电电压经整流桥CR1整流后通过二极管D302、电阻R301、R302、R306对电容C306B限流充电，当C306B充电电压达到辅助电源的控制芯片UCC2804(U300)的开启极限值第7管脚(VCC)时，UCC2804(U300)开始工作：其第8管脚(REF)产生稳定的基准电压，并在第6管脚(OUT)送出门极驱动脉冲。反激式变压器T301把交流输入整流后的电压变换为升压功率校正变换电路用的直流电压VCC，降压变换DC-DC电路用的+15VSEC，风扇控制电路用的+12V。然后继电器RL1吸合，同时UCC2804由辅助电源产生的VCC供电。通过对电容C306B的充电延时来实现辅助电源6的软启动。控制芯片UC2855、UC2875的软启动是通过各自***RC电路建立基准电压，实现软启动的功能。在整流模块断开交流电(关机或过压保护)后，由于储能滤波电容C14～C17的容量很大，直流高压400V的维持时间很长，使得VCC、+15VSEC的维持时间很长(大于20秒，整流模块关机前空载比满载的情况维持时间还长)。当关机后马上再开机时，辅助电源、控制芯片UC2855及UC2875的软启动时间缩短，甚至接近无软启动。此时控制芯片UC2855及UC2875的送出的门极驱动脉冲占空比不是经历由窄到宽调节的软启动全过程，这将导致流过功率开关管的电流过大而损坏。本实用新型另一创新之处是在辅助电源电路增设放电复位电路，该放电复位电路是由一个PNP型三极管Q302的开关电路及在该三极管Q302的集电极与地之间连接的一个充放电电容C306B组成；其中开关电路还包括有：在该三极管Q302基极连接的分压电阻R316、R317、R318、R319、在该型三极管Q302的基极与地之间并接的一个电容C305和一个二极管DZ317。该放电复位电路设置在UCC2804集成电路的第7管脚VCC电压端与地之间。在整流模块断开交流电(关机或过压保护)后，三极管Q302的发射极电压(电容C306B保持的电压)将比基极电压高，Q302进入导通状态，电容C306B通过Q302迅速放电，同时VCC、+15VSEC也将在极短的时间(约1秒)内电压降到2V以下，使短时间内连续开关整流模块时，充分保证辅助电源、控制芯片UC2855及UC2875的软启动的实现。

本实用新型的温控散热电路是由散热块、检测散热块温度的NTC热敏电阻、风扇控制电路及风扇组成。本实用新型采用自然冷却与内置风扇强迫风冷相结合的散热方式，该内置风扇安置在模块的下端将同时对散热块、散热块与电路板之间的功率管(装配在电路板的焊接面)及电路板元件面上的元器件进行强迫风冷(参见图1和图2)。当本实用新型整流模块的负载较小或散热块温度较低时，采用自然冷却方式，冷空气从整流模块的底部进入，热空气因温差和浮力效应从整流模块的顶部散出。当整流模块的负载较大或温控风扇电路检测到散热块温度高达设定值时，风扇起动，整流模块内部及散热块表面的空气流速加快，热阻降低。本实用新型将自然冷却与温控强迫风冷两种方式相结合，利用自然对流的浮力效应和自下向上送风的散热设计，既提高散热效率，又延长了风扇的使用寿命。在整流模块内部的控制电路板中，把功率管50、电感和变压器等发热元器件排列布置在风道上(参见图2)，并巧妙利用储能电感L6、导电铜片BB8等设置在风道上的优势将风分送到整流模块内部控制电路板的各个地方。强迫风冷的风扇采用的是德国PAPST公司的产品，型号为：1.6W～12VDC-612NN，体积小巧：60×60×25mm³，其连续工作于40℃的环境温度时，平均无故障时间MTBF是7万小时。整流模块长时间连续工作的散热块温升也保证在30℃以下。正是由于对风扇的严格选用、对电路板排布的精心设计、对风扇的高效利用(同时对上述三者的强迫风冷)及对自然对流的热浮力效应的充分利用，使得整流模块的高功率密度及高可靠性得以实现。

本实用新型已经研制成功样机，并进行大量长时间低市电输入满载工作的试验、各种工作条件下大量的开关机冲击试验、较严酷的环境条件试验等各种实施试验(试验工作温度从-40℃～65℃，远远高于相关的标准要求)，其最大的输出功率为1900W，功率因数达到0.995以上，效率大于90％，功率密度为562W/Kg(0.384W/cm³)，交流输入范围：100V～300V。

Claims (9)

1、一种用于通信设备的高频开关电源整流模块，是由装设有散热块与侧板的机壳、控制面板和其内部控制电路组成的立式模块结构装置；所述控制电路包括有：市电过压保护电路、输入滤波整流电路、提供内部用的辅助电源电路、APFC升压变换电路、DC-DC降压变换电路和输出滤波电路和温控风扇散热电路；其中APFC升压变换电路由主电路、采样电路和APFC控制保护电路组成；DC-DC降压变换电路由主电路、采样电路、DC-DC控制保护电路、均流控制电路和监控模块的连接电路组成；其特征在于：在所述APFC升压变换电路中的采样电路里设有电流互感器的偏磁强迫复位电路，以扩展低市电输入时APFC升压变换电路工作脉冲的占空比；在所述辅助电源电路中增设放电复位电路，提高整流模块对开关机的耐冲击能力。

2、根据权利要求1所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述电流互感器的偏磁强迫复位电路是由UC2855B集成电路的第8管脚的基准电源串接一个电阻和整流二极管组成，该偏磁强迫复位电路设置在电流互感器的副边端。

3、根据权利要求2所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述电流互感的偏磁强迫复位电路中的UC2855B集成电路是UNITRODE公司生产的高性能功率校正控制器芯片。

4、根据权利要求1所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述辅助电源电路中增设的放电复位电路是由一个三极管开关电路及在该三极管的集电极与地之间连接的一个充放电电容组成，该放电复位电路设置在UCC2804集成电路的第7管脚VCC电压端与地之间。

5、根据权利要求4所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述辅助电源电路的放电复位电路中的三极管开关电路是由一个PNP型三极管及其基极连接的分压电阻、在该PNP型三极管的基极与地之间并接的一个电容和一个二极管组成。

6、根据权利要求4所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述辅助电源电路的放电复位电路中的UCC2804集成电路是UNITRODE公司生产的低功耗电流模式脉宽控制器芯片。

7、根据权利要求1所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述温控风扇散热电路包括有风扇控制电路、风扇、散热块及检测散热块温度的NTC热敏电阻。

8、根据权利要求7所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述温控风扇散热电路中的风扇是德国PAPST公司的产品，其型号为：1.6W～12VDC-612NN。

9、根据权利要求1或7所述的高频开关电源整流模块，其特征在于：所述控制电路中的各种功率管、电感和变压器发热元器件都设置在风扇的风道上，并在风道上设置储能电感和导电铜片，以便将风分送到整流模块内部控制电路的各个地方。

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