開關(guān)電源在調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用
隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓寬。開關(guān)電源與傳統(tǒng)串聯(lián)連續(xù)穩(wěn)壓電源相比，在效率、電磁污染、體積及可靠性等方面都得到了較大的改善。另一方面，最新的固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)對(duì)電源的要求越來越高，而開關(guān)電源技術(shù)的成熟，元器件的不斷更新，高可靠性控制芯片的應(yīng)用完全能夠滿足調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的要求。目前固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)中的激勵(lì)器和功率放大器等組件普遍采用開關(guān)電源作為能源支持。未來的數(shù)字化控制與管理對(duì)于開關(guān)電源提出了更高的要求，智能化、數(shù)字化、小體積及高可靠性將是調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)開關(guān)電源發(fā)展方向。
開關(guān)電源
電源是整個(gè)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的動(dòng)力心臟。考慮到發(fā)射機(jī)房各個(gè)設(shè)備之間的電磁兼容，發(fā)射機(jī)整體效率，電源的可靠性和日常維護(hù)等問題，開關(guān)電源無疑是固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)電源的最佳選擇。開關(guān)電源的優(yōu)良特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一：體積更小。它可與功率放大器集成裝配。幾百kHz的開關(guān)頻率使得濾波阻抗元件體積縮成最小，進(jìn)而既減輕了發(fā)射機(jī)重量又縮小了體積，便于運(yùn)輸及日常維護(hù)。第二：效率更高。包括功率開關(guān)管MOSFET等新器件的應(yīng)用，開關(guān)電源多種電路拓?fù)浣M合的開關(guān)技術(shù)是降低損耗，提高電源系統(tǒng)效率的重要保證。第三：電磁污染更少。發(fā)射機(jī)電源內(nèi)設(shè)的電磁干擾(EMI)濾波電路和相關(guān)高尖峰脈沖吸收電路是電源的電流諧波符合要求的重要保證，它不但可以改善電源對(duì)電網(wǎng)的負(fù)載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的污染，也可以減少對(duì)其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。第四：可靠性得到進(jìn)一步改善。防雷、防感應(yīng)或反擊過電壓的多種保護(hù)措施及使用涂有三防漆(防潮、防鹽和防霉)的印刷電路板均可將故障幾率降至最低。
開關(guān)電源應(yīng)用
開關(guān)電源是通過以一定頻率連續(xù)地控制功率開關(guān)管進(jìn)行通斷操作，以便可以通過能量儲(chǔ)存元件(如電感器和電容器)向變換器或負(fù)載提供電量的電源形式。只要通過改變占空比、開關(guān)頻率或相關(guān)相位，平均輸出電壓或電流便可得到控制。開關(guān)電源的開關(guān)頻率范圍是從20kHz到幾MHz。對(duì)于電源功率大于90W的工作場(chǎng)合，開關(guān)電源通常采取兩級(jí)變換方式。即功率因數(shù)校正(PFC)控制變換器和DC/DC變換器。這里特別應(yīng)該提到是功率因數(shù)校正電路。它是為了保證輸入電壓和電流同相工作而設(shè)置的。其結(jié)果是功率因數(shù)接近1，視在功率全部轉(zhuǎn)換為有功功率，因而系統(tǒng)效率得到了改善。如果沒有PFC校正電路，輸入電流會(huì)以窄脈寬高峰值脈沖形式輸入開關(guān)電源引起嚴(yán)重的諧波干擾成分。這些諧波組分不僅沒有向負(fù)載提供任何能量，而且還引起變壓器和其它設(shè)備發(fā)熱。功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩種類型。調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的開關(guān)電源大都采用有源功率因數(shù)校正電路，它是由具有有源功率因數(shù)校正的AC/DC變換器和獨(dú)立DC/DC變換器兩大部分組成。AC/DC變換器主要包括：EMI濾波器、慢啟動(dòng)電路、橋式整流、PFC控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路及變換器電路(由功率開關(guān)管MOSFET、儲(chǔ)能電感L、快速恢復(fù)整流二極管和濾波電容等組成)，其電路框圖見圖1
圖1 AD/DC變換器電路
AC輸入經(jīng)過EMI濾波電路濾除差摸和共摸電磁干擾信號(hào)后，輸入至慢啟動(dòng)電路，再經(jīng)延時(shí)后全壓加到橋式整流電路，輸出的直流電壓提供給功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的漏極。PFC控制器是由8引腳的LT1249功率因數(shù)控制芯片和較少的外圍元件所構(gòu)成的電路。其第8引腳輸出開關(guān)頻率為100kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路加到MOSFET功率開關(guān)管的柵極，MOSFET變換器開始以一定的占空比進(jìn)行通斷工作，并輸出所需求的直流電壓。凌力爾特公司生產(chǎn)的LT1249集成芯片內(nèi)置振蕩器、電流乘法器、電流放大器、誤差電壓放大器、電壓比較器及基準(zhǔn)電壓源等單元。通過對(duì)設(shè)定的高頻率脈寬調(diào)制電流進(jìn)行平均處理，LT1249可以實(shí)現(xiàn)盡可能低的電流失真，并且可以工作于連續(xù)和非連續(xù)的工作模式。另外，內(nèi)置電流乘法器對(duì)來自誤差電壓放大器的電流進(jìn)行平方運(yùn)算可以降低輕載時(shí)的AC增益，進(jìn)而可保持較低的電流失真和較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。PFC控制器分別從橋式整流、變換器及它們之間傳感電阻提取感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能，如峰值電流限制和過壓保護(hù)等。DC/DC變換器電路簡化框圖由圖2所示
圖2 DC/DC變換器電路
它主要由開關(guān)變壓器、MOSFET功率開關(guān)管、整流元件、傳感電路(包括電壓、電流和溫度取樣)、附屬電源、UC3843PWM控制器及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路組成。由前級(jí)輸入的直流電壓加到并聯(lián)的功率開關(guān)管MOSFET的漏極，其柵極輸入是由UC3843控制芯片內(nèi)設(shè)定頻率開關(guān)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路提供的。通過開關(guān)變壓器升壓后，整流濾波得到所需的直流電壓。UC3843控制芯片是一種電流模式的PWM控制調(diào)整器。它具有優(yōu)化DC/DC變換器、低啟動(dòng)電流、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、電流限制、低壓閉鎖、脈沖抑制、高電流驅(qū)動(dòng)和高達(dá)500kHz的開關(guān)頻率等特性。從UC3843內(nèi)部電路分析，內(nèi)部參考信號(hào)與變壓器次級(jí)經(jīng)整流濾波后電壓取樣值在誤差放大器進(jìn)行處理，處理后的誤差電壓與感應(yīng)電阻形成的電壓輸入到PWM比較器中，其輸出與時(shí)鐘信號(hào)在觸發(fā)電路中進(jìn)行波形處理，最后輸出頻率與時(shí)鐘頻率一致的開關(guān)頻率信號(hào)。
實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)問題的討論
開關(guān)電源在調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)使用過程中出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)大一些，原因是多方面的。發(fā)射機(jī)房的環(huán)境因素(如通風(fēng)、溫度及濕度)、電源控制柜防雷問題、開關(guān)電源本身設(shè)計(jì)和器件問題、工作人員誤操作問題等都是產(chǎn)生故障的隱患。若想設(shè)備正常工作，除了掌握必備的專業(yè)知識(shí)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)也是必要的。通過對(duì)開關(guān)電源內(nèi)設(shè)的附屬保護(hù)電路的故障顯示觀察和分析往往可以將故障率降至最低。開關(guān)電源由于使用大容量的儲(chǔ)能電容器，在工作中產(chǎn)生較大的浪涌電流，使得開關(guān)管在交流電壓接近峰值時(shí)關(guān)斷。輸入交流電壓本身瞬間變化也會(huì)導(dǎo)致同樣的結(jié)果。因此在開關(guān)電源的實(shí)際電路中，常常使用一種負(fù)溫度特性的熱敏電阻串接在橋式整流塊前。當(dāng)電源開關(guān)閉合時(shí)，熱敏電阻溫度低，呈高阻狀態(tài)，浪涌電流得到抑制。隨著電流流動(dòng)熱敏電阻溫度升高，阻值下降至零，輸入電壓全壓加入負(fù)載。然而，這種基本的保護(hù)機(jī)制在實(shí)際使用中略顯不足。如果電源開關(guān)斷開幾秒鐘的時(shí)間又重新閉合，熱敏電阻沒有充分的時(shí)間冷卻，此時(shí)輸入幅值接近峰值的交流電壓，將產(chǎn)生比正常時(shí)更大的浪涌電流，既便是此電流在感應(yīng)電阻上產(chǎn)生高于6V的電壓，由于LT1249芯片還沒加電，無法起到保護(hù)作用。這是導(dǎo)致功率開關(guān)管MOSFET擊穿短路損壞的直接原因。這一點(diǎn)在大連年初強(qiáng)風(fēng)暴雨災(zāi)害時(shí)引起多部調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)電源故障中得到證實(shí)。
壓敏電阻并聯(lián)在交流電路輸入的兩端同樣能夠吸收電浪涌。在環(huán)境溫度不變的條件下，壓敏電阻阻值隨施加的電壓增加而急劇減小。因此，它對(duì)吸收浪涌有優(yōu)越的功效。為了防止開合功放電源引起的浪涌電壓，采用壓敏電阻接在電源線相間，從而起到保護(hù)電源設(shè)備的作用。
接地線是最基本最簡單的安全措施。發(fā)射機(jī)的機(jī)柜、功放盒外殼、電源外殼、面板及門等均已相互連接，并連接到發(fā)射機(jī)的接地端，發(fā)射機(jī)安裝到位后，應(yīng)將本機(jī)的接地端(位于發(fā)射機(jī)電源部分的底板上)彎角與機(jī)房地可靠地連接在一起，以避免由于漏電而發(fā)生不幸事件。同時(shí)，還要求將電路中要求接地的各點(diǎn)接地，從而保
結(jié)語
盡管開關(guān)電源有多種電路拓?fù)浣M合，因負(fù)載類型、功率要求、控制方式等不同場(chǎng)合，有不同的選擇，但開關(guān)電源中的PFC控制單元和PWM控制單元是核心，是調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)獲得高質(zhì)量信號(hào)傳輸與發(fā)射的重要保證。此外，在設(shè)備的使用過程中，應(yīng)該充分了解設(shè)備工作狀態(tài)和故障現(xiàn)象，不斷地積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這樣有利于掌握開關(guān)電源的故障特點(diǎn)，提高調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)維護(hù)水平，保證設(shè)備處于正常的工作狀態(tài)。
開關(guān)電源
電源是整個(gè)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的動(dòng)力心臟。考慮到發(fā)射機(jī)房各個(gè)設(shè)備之間的電磁兼容，發(fā)射機(jī)整體效率，電源的可靠性和日常維護(hù)等問題，開關(guān)電源無疑是固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)電源的最佳選擇。開關(guān)電源的優(yōu)良特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一：體積更小。它可與功率放大器集成裝配。幾百kHz的開關(guān)頻率使得濾波阻抗元件體積縮成最小，進(jìn)而既減輕了發(fā)射機(jī)重量又縮小了體積，便于運(yùn)輸及日常維護(hù)。第二：效率更高。包括功率開關(guān)管MOSFET等新器件的應(yīng)用，開關(guān)電源多種電路拓?fù)浣M合的開關(guān)技術(shù)是降低損耗，提高電源系統(tǒng)效率的重要保證。第三：電磁污染更少。發(fā)射機(jī)電源內(nèi)設(shè)的電磁干擾(EMI)濾波電路和相關(guān)高尖峰脈沖吸收電路是電源的電流諧波符合要求的重要保證，它不但可以改善電源對(duì)電網(wǎng)的負(fù)載特性，減少給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的污染，也可以減少對(duì)其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。第四：可靠性得到進(jìn)一步改善。防雷、防感應(yīng)或反擊過電壓的多種保護(hù)措施及使用涂有三防漆(防潮、防鹽和防霉)的印刷電路板均可將故障幾率降至最低。
開關(guān)電源應(yīng)用
開關(guān)電源是通過以一定頻率連續(xù)地控制功率開關(guān)管進(jìn)行通斷操作，以便可以通過能量儲(chǔ)存元件(如電感器和電容器)向變換器或負(fù)載提供電量的電源形式。只要通過改變占空比、開關(guān)頻率或相關(guān)相位，平均輸出電壓或電流便可得到控制。開關(guān)電源的開關(guān)頻率范圍是從20kHz到幾MHz。對(duì)于電源功率大于90W的工作場(chǎng)合，開關(guān)電源通常采取兩級(jí)變換方式。即功率因數(shù)校正(PFC)控制變換器和DC/DC變換器。這里特別應(yīng)該提到是功率因數(shù)校正電路。它是為了保證輸入電壓和電流同相工作而設(shè)置的。其結(jié)果是功率因數(shù)接近1，視在功率全部轉(zhuǎn)換為有功功率，因而系統(tǒng)效率得到了改善。如果沒有PFC校正電路，輸入電流會(huì)以窄脈寬高峰值脈沖形式輸入開關(guān)電源引起嚴(yán)重的諧波干擾成分。這些諧波組分不僅沒有向負(fù)載提供任何能量，而且還引起變壓器和其它設(shè)備發(fā)熱。功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩種類型。調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的開關(guān)電源大都采用有源功率因數(shù)校正電路，它是由具有有源功率因數(shù)校正的AC/DC變換器和獨(dú)立DC/DC變換器兩大部分組成。AC/DC變換器主要包括：EMI濾波器、慢啟動(dòng)電路、橋式整流、PFC控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路及變換器電路(由功率開關(guān)管MOSFET、儲(chǔ)能電感L、快速恢復(fù)整流二極管和濾波電容等組成)，其電路框圖見圖1
圖1 AD/DC變換器電路
AC輸入經(jīng)過EMI濾波電路濾除差摸和共摸電磁干擾信號(hào)后，輸入至慢啟動(dòng)電路，再經(jīng)延時(shí)后全壓加到橋式整流電路，輸出的直流電壓提供給功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的漏極。PFC控制器是由8引腳的LT1249功率因數(shù)控制芯片和較少的外圍元件所構(gòu)成的電路。其第8引腳輸出開關(guān)頻率為100kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路加到MOSFET功率開關(guān)管的柵極，MOSFET變換器開始以一定的占空比進(jìn)行通斷工作，并輸出所需求的直流電壓。凌力爾特公司生產(chǎn)的LT1249集成芯片內(nèi)置振蕩器、電流乘法器、電流放大器、誤差電壓放大器、電壓比較器及基準(zhǔn)電壓源等單元。通過對(duì)設(shè)定的高頻率脈寬調(diào)制電流進(jìn)行平均處理，LT1249可以實(shí)現(xiàn)盡可能低的電流失真，并且可以工作于連續(xù)和非連續(xù)的工作模式。另外，內(nèi)置電流乘法器對(duì)來自誤差電壓放大器的電流進(jìn)行平方運(yùn)算可以降低輕載時(shí)的AC增益，進(jìn)而可保持較低的電流失真和較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。PFC控制器分別從橋式整流、變換器及它們之間傳感電阻提取感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)功能，如峰值電流限制和過壓保護(hù)等。DC/DC變換器電路簡化框圖由圖2所示
圖2 DC/DC變換器電路
它主要由開關(guān)變壓器、MOSFET功率開關(guān)管、整流元件、傳感電路(包括電壓、電流和溫度取樣)、附屬電源、UC3843PWM控制器及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路組成。由前級(jí)輸入的直流電壓加到并聯(lián)的功率開關(guān)管MOSFET的漏極，其柵極輸入是由UC3843控制芯片內(nèi)設(shè)定頻率開關(guān)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路提供的。通過開關(guān)變壓器升壓后，整流濾波得到所需的直流電壓。UC3843控制芯片是一種電流模式的PWM控制調(diào)整器。它具有優(yōu)化DC/DC變換器、低啟動(dòng)電流、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、電流限制、低壓閉鎖、脈沖抑制、高電流驅(qū)動(dòng)和高達(dá)500kHz的開關(guān)頻率等特性。從UC3843內(nèi)部電路分析，內(nèi)部參考信號(hào)與變壓器次級(jí)經(jīng)整流濾波后電壓取樣值在誤差放大器進(jìn)行處理，處理后的誤差電壓與感應(yīng)電阻形成的電壓輸入到PWM比較器中，其輸出與時(shí)鐘信號(hào)在觸發(fā)電路中進(jìn)行波形處理，最后輸出頻率與時(shí)鐘頻率一致的開關(guān)頻率信號(hào)。
實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)問題的討論
開關(guān)電源在調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)使用過程中出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)大一些，原因是多方面的。發(fā)射機(jī)房的環(huán)境因素(如通風(fēng)、溫度及濕度)、電源控制柜防雷問題、開關(guān)電源本身設(shè)計(jì)和器件問題、工作人員誤操作問題等都是產(chǎn)生故障的隱患。若想設(shè)備正常工作，除了掌握必備的專業(yè)知識(shí)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)也是必要的。通過對(duì)開關(guān)電源內(nèi)設(shè)的附屬保護(hù)電路的故障顯示觀察和分析往往可以將故障率降至最低。開關(guān)電源由于使用大容量的儲(chǔ)能電容器，在工作中產(chǎn)生較大的浪涌電流，使得開關(guān)管在交流電壓接近峰值時(shí)關(guān)斷。輸入交流電壓本身瞬間變化也會(huì)導(dǎo)致同樣的結(jié)果。因此在開關(guān)電源的實(shí)際電路中，常常使用一種負(fù)溫度特性的熱敏電阻串接在橋式整流塊前。當(dāng)電源開關(guān)閉合時(shí)，熱敏電阻溫度低，呈高阻狀態(tài)，浪涌電流得到抑制。隨著電流流動(dòng)熱敏電阻溫度升高，阻值下降至零，輸入電壓全壓加入負(fù)載。然而，這種基本的保護(hù)機(jī)制在實(shí)際使用中略顯不足。如果電源開關(guān)斷開幾秒鐘的時(shí)間又重新閉合，熱敏電阻沒有充分的時(shí)間冷卻，此時(shí)輸入幅值接近峰值的交流電壓，將產(chǎn)生比正常時(shí)更大的浪涌電流，既便是此電流在感應(yīng)電阻上產(chǎn)生高于6V的電壓，由于LT1249芯片還沒加電，無法起到保護(hù)作用。這是導(dǎo)致功率開關(guān)管MOSFET擊穿短路損壞的直接原因。這一點(diǎn)在大連年初強(qiáng)風(fēng)暴雨災(zāi)害時(shí)引起多部調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)電源故障中得到證實(shí)。
壓敏電阻并聯(lián)在交流電路輸入的兩端同樣能夠吸收電浪涌。在環(huán)境溫度不變的條件下，壓敏電阻阻值隨施加的電壓增加而急劇減小。因此，它對(duì)吸收浪涌有優(yōu)越的功效。為了防止開合功放電源引起的浪涌電壓，采用壓敏電阻接在電源線相間，從而起到保護(hù)電源設(shè)備的作用。
接地線是最基本最簡單的安全措施。發(fā)射機(jī)的機(jī)柜、功放盒外殼、電源外殼、面板及門等均已相互連接，并連接到發(fā)射機(jī)的接地端，發(fā)射機(jī)安裝到位后，應(yīng)將本機(jī)的接地端(位于發(fā)射機(jī)電源部分的底板上)彎角與機(jī)房地可靠地連接在一起，以避免由于漏電而發(fā)生不幸事件。同時(shí)，還要求將電路中要求接地的各點(diǎn)接地，從而保
結(jié)語
盡管開關(guān)電源有多種電路拓?fù)浣M合，因負(fù)載類型、功率要求、控制方式等不同場(chǎng)合，有不同的選擇，但開關(guān)電源中的PFC控制單元和PWM控制單元是核心，是調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)獲得高質(zhì)量信號(hào)傳輸與發(fā)射的重要保證。此外，在設(shè)備的使用過程中，應(yīng)該充分了解設(shè)備工作狀態(tài)和故障現(xiàn)象，不斷地積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這樣有利于掌握開關(guān)電源的故障特點(diǎn)，提高調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)維護(hù)水平，保證設(shè)備處于正常的工作狀態(tài)。
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