开关电源在调频广播发射机中的应用

引言

　　随着开关电源技术的不断成熟，其应用领域得到进一步拓宽。开关电源与传统串联连续稳压电源相比，在效率、电磁污染、体积及可靠性等方面都得到了较大的改善。另一方面，最新的固态调频广播发射机对电源的要求越来越高，而开关电源技术的成熟，元器件的不断更新，高可靠性控制芯片的应用完全能够满足调频广播发射机的要求。目前固态调频广播发射机中的激励器和功率放大器等组件普遍采用开关电源作为能源支持。未来的数字化控制与管理对于开关电源提出了更高的要求，智能化、数字化、小体积及高可靠性将是调频广播发射机开关电源发展方向。

　　开关电源

　　电源是整个调频广播发射机的动力心脏。考虑到发射机房各个设备之间的电磁兼容，发射机整体效率，电源的可靠性和日常维护等问题，开关电源无疑是固态调频广播发射机电源的最佳选择。开关电源的优良特性主要体现在以下几个方面。第一：体积更小。它可与功率放大器集成装配。几百kHz的开关频率使得滤波阻抗元件体积缩成最小，进而既减轻了发射机重量又缩小了体积，便于运输及日常维护。第二：效率更高。包括功率开关管MOSFET等新器件的应用，开关电源多种电路拓扑组合的开关技术是降低损耗，提高电源系统效率的重要保证。第三：电磁污染更少。发射机电源内设的电磁干扰(EMI)滤波电路和相关高尖峰脉冲吸收电路是电源的电流谐波符合要求的重要保证，它不但可以改善电源对电网的负载特性，减少给电网带来严重的污染，也可以减少对其它网络设备的谐波干扰。第四：可靠性得到进一步改善。防雷、防感应或反击过电压的多种保护措施及使用涂有三防漆(防潮、防盐和防霉)的印刷电路板均可将故障几率降至最低。

　　开关电源应用

　　开关电源是通过以一定频率连续地控制功率开关管进行通断操作，以便可以通过能量储存元件(如电感器和电容器)向变换器或负载提供电量的电源形式。只要通过改变占空比、开关频率或相关相位，平均输出电压或电流便可得到控制。开关电源的开关频率范围是从20kHz到几MHz。对于电源功率大于90W的工作场合，开关电源通常采取两级变换方式。即功率因数校正(PFC)控制变换器和DC/DC变换器。这里特别应该提到是功率因数校正电路。它是为了保证输入电压和电流同相工作而设置的。其结果是功率因数接近1，视在功率全部转换为有功功率，因而系统效率得到了改善。如果没有PFC校正电路，输入电流会以窄脉宽高峰值脉冲形式输入开关电源引起严重的谐波干扰成分。这些谐波组分不仅没有向负载提供任何能量，而且还引起变压器和其它设备发热。功率因数校正电路分为有源和无源两种类型。调频广播发射机的开关电源大都采用有源功率因数校正电路，它是由具有有源功率因数校正的AC/DC变换器和独立DC/DC变换器两大部分组成。AC/DC变换器主要包括：EMI滤波器、慢启动电路、桥式整流、PFC控制器、功率驱动电路及变换器电路(由功率开关管MOSFET、储能电感L、快速恢复整流二极管和滤波电容等组成。

　　AC输入经过EMI滤波电路滤除差摸和共摸电磁干扰信号后，输入至慢启动电路，再经延时后全压加到桥式整流电路，输出的直流电压提供给功率场效应管MOSFET的漏极。PFC控制器是由8引脚的LT1249功率因数控制芯片和较少的外围元件所构成的电路。其第8引脚输出开关频率为100kHz的驱动信号，经驱动电路加到MOSFET功率开关管的栅极，MOSFET变换器开始以一定的占空比进行通断工作，并输出所需求的直流电压。凌力尔特公司生产的LT1249集成芯片内置振荡器、电流乘法器、电流放大器、误差电压放大器、电压比较器及基准电压源等单元。通过对设定的高频率脉宽调制电流进行平均处理，LT1249可以实现尽可能低的电流失真，并且可以工作于连续和非连续的工作模式。另外，内置电流乘法器对来自误差电压放大器的电流进行平方运算可以降低轻载时的AC增益，进而可保持较低的电流失真和较高的系统稳定性。PFC控制器分别从桥式整流、变换器及它们之间传感电阻提取感应信号实现多种保护功能，如峰值电流限制和过压保护等。

　　它主要由开关变压器、MOSFET功率开关管、整流元件、传感电路(包括电压、电流和温度取样)、附属电源、UC3843PWM控制器及相关的驱动电路组成。由前级输入的直流电压加到并联的功率开关管MOSFET的漏极，其栅极输入是由UC3843控制芯片内设定频率开关信号经驱动电路提供的。通过开关变压器升压后，整流滤波得到所需的直流电压。UC3843控制芯片是一种电流模式的PWM控制调整器。它具有优化DC/DC变换器、低启动电流、自动前馈补偿、电流限制、低压闭锁、脉冲抑制、高电流驱动和高达500kHz的开关频率等特性。从UC3843内部电路分析，内部参考信号与变压器次级经整流滤波后电压取样值在误差放大器进行处理，处理后的误差电压与感应电阻形成的电压输入到PWM比较器中，其输出与时钟信号在触发电路中进行波形处理，最后输出频率与时钟频率一致的开关频率信号。

　　实际应用中相关问题的讨论

　　开关电源在调频广播发射机使用过程中出现故障的机会大一些，原因是多方面的。发射机房的环境因素(如通风、温度及湿度)、电源控制柜防雷问题、开关电源本身设计和器件问题、工作人员误操作问题等都是产生故障的隐患。若想设备正常工作，除了掌握必备的专业知识，不断积累经验也是必要的。通过对开关电源内设的附属保护电路的故障显示观察和分析往往可以将故障率降至最低。开关电源由于使用大容量的储能电容器，在工作中产生较大的浪涌电流，使得开关管在交流电压接近峰值时关断。输入交流电压本身瞬间变化也会导致同样的结果。因此在开关电源的实际电路中，常常使用一种负温度特性的热敏电阻串接在桥式整流块前。当电源开关闭合时，热敏电阻温度低，呈高阻状态，浪涌电流得到抑制。随着电流流动热敏电阻温度升高，阻值下降至零，输入电压全压加入负载。然而，这种基本的保护机制在实际使用中略显不足。如果电源开关断开几秒钟的时间又重新闭合，热敏电阻没有充分的时间冷却，此时输入幅值接近峰值的交流电压，将产生比正常时更大的浪涌电流，既便是此电流在感应电阻上产生高于6V的电压，由于LT1249芯片还没加电，无法起到保护作用。这是导致功率开关管MOSFET击穿短路损坏的直接原因。这一点在大连年初强风暴雨灾害时引起多部调频广播发射机电源故障中得到证实。

　　压敏电阻并联在交流电路输入的两端同样能够吸收电浪涌。在环境温度不变的条件下，压敏电阻阻值随施加的电压增加而急剧减小。因此，它对吸收浪涌有优越的功效。为了防止开合功放电源引起的浪涌电压，采用压敏电阻接在电源线相间，从而起到保护电源设备的作用。

　　接地线是最基本最简单的安全措施。发射机的机柜、功放盒外壳、电源外壳、面板及门等均已相互连接，并连接到发射机的接地端，发射机安装到位后，应将本机的接地端(位于发射机电源部分的底板上)弯角与机房地可靠地连接在一起，以避免由于漏电而发生不幸事件。同时，还要求将电路中要求接地的各点接地，从而保证需要接地的电流及发射机泄漏的高频电流能顺利流入大地。

　　结语

　　尽管开关电源有多种电路拓扑组合，因负载类型、功率要求、控制方式等不同场合，有不同的选择，但开关电源中的PFC控制单元和PWM控制单元是核心，是调频广播发射机获得高质量信号传输与发射的重要保证。此外，在设备的使用过程中，应该充分了解设备工作状态和故障现象，不断地积累经验教训，这样有利于掌握开关电源的故障特点，提高调频广播发射机维护水平，保证设备处于正常的工作状态。