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开关电源与线性电源

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      电源系统是电台的能量源泉,好的电源系统是无线电通信的基础和保障。小型无线电台通常都需要使用低压直流电,从相对电压较高的交流市电转换成低压直流电就是稳压电源的工作。稳压电源的电路形式过去主要是变压器+稳压电路的线性稳压电源,随着科技的发展工作于开关状态的新型开关电源崭露头角。开关电源经过几十年的发展目前正有取代线性电源的趋势,很多电器设备上的电源部分都悄然为开关电源所取代。在通信行业也是如此,很多厂家为通信电台所配套的电源都基本转向开关电源,这些应用包括超短波电台和短波电台以及卫星通信设备。此外开关电源还广泛使用于比通信电台供电要求高得多的精密射频仪器中。在业余电台中开关电源是否能替代传统线性电源用于无线电通信设备尤其是短波电台一直是有争议的,接下来我们就来对比一下线性电源和开关电源各自的优缺点,同时也全面了解一下这两类电源的特性。
 

线性电源
    线性稳压电源(低压)的基本原理是市电经过一个工频变压器降压成低压交流电然后通过整流和滤波形成直流电,最后通过稳压电路输出稳定的低压直流电。电路中调整元件工作在线性状态。
    线性电源的优点是结构相对简单、输出纹波小、高频干扰小。结构简单给我们带来的最大好处是维修方便,维修一台线性电源的难度往往远远低于开关电源,线性电源的维修成功率也大大高于开关电源。纹波是叠加在直流稳定量上的交流分量。输出纹波越小也就是说输出直流电纯净度越高,这也正是直流电源品质的重要标志。过高纹波的直流电将影响收发信机的正常工作。目前高档线性电源纹波可以达到0.5mV的水平,一般产品可以做到5mV水平。线性电源没有工作在高频状态下的器件所以如果输入滤波做得好的话几乎没有高频干扰/高频噪声。
    线性电源的缺点是体积大重量重、转换效率低、输入电压窄、需要较大的滤波电容。由于降压需要使用到变压器,变压器占整个电源重量的相当比重。虽然更先进的变压器可以提高一定的效率和减轻重量但这都不足以与同功率容量的开关电源相比。而且一些新型的变压器价格也略高一些很多厂家的线性稳压电源产品依然大量使用传统形式的变压器。由于变压器的转换效率以及调整管上压降消耗的功率决定了整个线性电源效率不高。虽然近年也有高效线性稳压设计出现但出于多种原因很少应用在电台供电电源中。由于变压器的变压比是恒定的,考虑到稳压电路的功耗所以很难做到像开关电源那样自动宽电压自动适应。线性电源工作频率低,滤波需要使用的电容容量比较大,尤其是大电流输出的电源,这也直接关系到产品的体积。此外调整管的高功耗也需要配置足够面积的散热片,大型的散热片重量也不轻。

    线性电源经过很多年的发展核心线路早就非常成熟,近年来也没有进一步大发展。产品的品质基本由设计目标和产品用料决定。很多业余电子爱好者都能轻易DIY出性能指标相当不错的线性电源。


开关电源
    开关电源基本原理基于脉宽调制通过控制开关管开通和关断的时间比,维持稳定输出电压的一种电源。电路中调整元件工作在开关状态,实际电路中应用到逆变电路,典型的开关电源电路中里电流是“交-直-交(或脉冲)-直”的形式。
    开关电源的优点是体积小、重量轻、功耗小、转换效率高、稳压范围宽、滤波效率高、安全可靠、电路形式灵活。由于开关电源不需要笨重的工频变压器(开关电源中所用的高频变压器体积和重量相对小得多),同时开关电源开关管功耗要比同等级别的线性电源调整管小得多,所需散热片面积也大大缩减,加上高频电流滤波对电容容量的需求大大降低不再需要使用大体积的高容量电容器,这都使得开关电源较同功率档次的线性电源具有小得多的体积和重量,尤其在高功率产品中这种差异更为明显。在小功率电源中开关电源的成本会比线性电源高,但在大功率电源中开关电源的成本反而会比线性电源低。当市电变化较大时开关电源的控制电路可以通过调宽或调频来进行补偿保持输出稳定,比较容易实现宽电压适应,这也就是我们不难看到不少开关电源产品都可以实现宽电压输入支持。从电子线路上看开关电源较线性电源复杂得多,但通常开关电源的保护措施也比较多。当开关电源发生故障时一般都会切断输出最大限度确保用电器安全。相对而言线性电源当调整管发生故障被击穿使电源直接输出高电压导致“一烧,烧一串”的几率大得多。
 

    开关电源的缺点是开关电源存在不可避免干扰,包括尖峰干扰和谐波干扰,这也是开关电源最大的软肋。这些干扰达到一定程度就可能影响用电设备(如干扰数字或逻辑控制部件)和附近工作的设备。控制和抑制有害干扰和纹波是开关电源的设计的重点。目前比较好的开关电源纹波可以做到20~30mV水平。
开关电源近年来一直有较大的发展,包括高频化、软开关技术、谐振直流环、屏蔽技术等,很多厂家都不断推出高性能高集成度的控制IC,使得开关电源的线路在不断简化的同时具有更可靠高效的性能。开关电源开关频率也不断提升,从早期的10~50KHz,发展到现在主流的100~500KHz,目前一些先进的产品已经开始使用1MHz。提高开关电源的工作频率带来的好处是可以使用更小体积的变压器和更小容量的电容进一步控制产品体积,同时提高工作频率也能提高效率(尽管实践证明不是工作频率越高效率就一定越高)。随着工作频率的升高对开关电源的主要部件高频变压器、铁氧体磁芯、电容、开关管都提出了更高的要求。同时在开关电源的控制EMI达到EMC标准方面也有很大的发展,通过科学的设计使用电容、电感、滤波器、低压差稳压电路、屏蔽技术、接地、PCB布线设计、元器件搭配多管齐下,有效的抑制各种开关电源线路的寄生干扰。目前开关电源已近基本可以取代线性电源应用于各种场合,包括电台通信设备中。不少新出品的小型专业电台都使用轻巧高效的开关电源。在业余电台领域中很多中高档的短波电台都使用开关电源包括内置电源,如200W YAESU FT-2000D电台原配的电源就是开关电源,FT-897D的选件FP-30内置一体化电源也是开关电源,ICOM推荐电台搭配的PS125/PS126独立电源都是开关电源,其实更多内置电源的短波机所用的也是开关电源,包括一些老产品。看来短波电台配用开关电源由来已久。

    开关电源线路技术含量高,产品性能取决于设计应用目标、科学设计、元器件选用等多项专业技术。由于高性能开关电源制作比较复杂牵涉元器件也比较多,一般业余电子爱好者DIY难度较高。开关电源的技术迅速发展,所以如果你买部10年前产的线性电源其结构与性能与现在的产品可能差不多,但10年前的开关电源与现在主流技术产品绝对有差距。

认识开关电源干扰
    开关电源的“小体积、大电流、高效率”是公认的,能否用于通信电台是很多HAM所关心的。实践证明大部分开关电源都能很好的应用在U/V段业余电台上,有人花一二十元从二手市场买个淘汰的电脑开关电源利用其12V输出就能为144/430MHz车载电台工作。但有不少开关电源用于短波电台则容易出现噪声电平提高影响信号接收的问题,所以很多人就认为开关电源不适合用于短波通信设备,其实不尽然。
    我们首先认识一下开关电源产生干扰的根源和传播方式以及对应措施。开关电源工作于开关状态,内部一些线路中电压电流变化率很高,整流二极管、开关管、高频变压器绕组漏感以及线路板走线元件位置设计不当都会产生和引起干扰。如高频整流回路中的二极管的反向恢复时间引起的干扰和功率开关管工作时产生的谐波干扰是无法避免的。产生的干扰主要包括开关纹波、高频噪声、杂波辐射。插图中波浪形幅度较小的图形是开关电源的纹波干扰,插图中垂直直线幅度较大的图形是开关电源的噪声。 这些干扰传递方式有传导干扰和辐射干扰。为了有效抑制干扰通常通过抑制干扰源、切断干扰传播途径。在干扰产生的二极管、开关管、高频变压器上采用补偿措施和改进线路,采用低DF、ESR 、ESL的电容、抑制干扰源。采用屏蔽、接地、滤波措施阻断传播途径。

    标志开关电源输出的直流电纯净度的主要指标是纹波。我们用示波器看开关电源输出直流电的交流分量波形,我们可以看到有频率较低的纹波(与开关电源工作频率相同以及高次谐波)还有幅度和频率都比较高的高频噪音。开关电源的纹波噪声指标一般有两个,一个用RMS(均方根值)来表示纹波(一般取5Hz-1MHz之间),一个用Vpp(峰-峰值)来表示噪声(一般取20MHz带宽)。
    开关电源的特性与其设计目标和实现线路有关,对于不同应用的需要其纹波水平有不同的要求。要做到低纹波低噪声输出从技术上可以做到,但需要采用增加滤波等一系列措施,并不是用大点容量的电容那么简单,这在成本上必然有所增加。对于通信电台用的电源就有很高的输出指标要求,如果我们拆开这类专用电源我们最容易发现他们在滤波方面做得比较考究,仔细研究他们在线路设计和布线上都有讲究。如果我们用示波器测试可以看到其输出纹波和高频噪声控制在比较小的范围。实践中通过仪器我们可以看到有些工业开关电源除了纹波大杂散电平干扰也很严重,干扰点频谱分布很广,好的开关电源不但纹波和高频噪音小而且干扰频点也很有规律的出现在固定频点上,开关电源工作频率的谐波衰减很快,进入短波频段其幅度就很小很小了,整个短波频谱比较干净。由此可见专门设计的通信开关电源完全可以用于短波电台。


    市场上一些二手开关电源都打着通信开关电源的旗号出售,二手商看到HAM市场的需求,只要得知某产品对短波电台工作干扰不明显,电压在13.8v附近(一般是原厂设计电压为12V或15V)电流大的都打上通信开关电源的招牌销售。市场上不少原本为12V 和5V输出的开关电源原来都属于普通工业用开关电源和电脑系统的供电电源,对干扰抑制的要求没有通信电源那么高,如果你买到这类电源对于短波通信设备没有实际干扰实属运气,同时也不排除它的干扰范围正好落在业余通信频段之外。如果这类电源一定要和“通信”拉上关系的话,那么这些电源可能是通信大系统中电脑控制单元的供电部分,其实质还只是一台电脑开关电源。一般真正用于无线电通信设备上的电源只有一组输出不会有正负5V和12V多组输出,输出电压也多为13.8V、24V、48V之类单电压输出,真正的通信电源13.8V额定电压也不是用户或商家自己由12V调上去改上去的。如果你手里有示波器看一下开关电源在负载下的纹波和高频噪声也能对其品质判断一二,对于全新的产品可以关注一下其说明书中的指标(前提是指标属实)。
    其实即便是真正的通信开关电源也有不同的应用分类,其特性与指标也是不同的。设计用于高频率波段VHF/UHF的开关电源往往不一定苛求在短波段也有优秀的表现,只要在预计使用的工作频段没有明显干扰并符合EMC标准就行。所以一些用于U/V波段中继台和移动电话系统的通信开关电源也不一定保证在短波段有绝佳表现。专用于短波设备的开关电源从工作频率的选取、线路的设计、元器件的选用都有专门的考虑。 尽管如此很多适用短波电台的开关电源我们依然可以找出一些固定频率干扰点,不过这些干扰点不是常用的通信频率。有些业余电台上用的开关电源另辟蹊径采用手工工作频率偏移的方式(也称为Noise shift)使得纹波干扰频率与电台接收机工作频率可以岔开。

    对于利用市电的稳压电源来说干扰是必然存在的,只是大小不同而已。即便是价值上万元高端实验室线性电源也存在纹波,要想得到真正纯净的直流电只有使用电池了。对于通信电台来说输入的直流电也不是一点纹波都不能耐受,电台本身的电源部分通常设计有滤波线路,内部一些单元也设计有屏蔽抗干扰措施。至于滤波线路和抗干扰的性能就“因台而异”了,这也就是实践中同一台电源用在某些型号电台上工作正常而用在某些型号电台上出现干扰的主要原因。为电台供电的电源只要纹波水平在电台可承受水平内即可没有必要过分追求超低纹波水平。此外实验室级的高端稳压电源因为应用范围比较广,所以要求会比电台电源在功能和输出电流纯净度等方面都高。
    实际应用中很多HAM使用非通信开关电源也能很好的为短波电台供电,包括一些笔记本电脑电源、工业模块电源、电脑电源、硬盘阵列电源等。这就要综合看不同电源本身的品质和干扰频点的分布以及用户使用短波电台的自身抗干扰能力。判断一个开关电源是否适用于短波电台对于手头有仪器的朋友可以通过示波器、数字交流电压表、测量接收机、频谱仪配合电子负载在屏蔽室以规范的操作流程对开关电源的一些指标进行测量。如果你手头没有这么多专业仪器那么也可以用土办法来验证。将开关电源接上你的短波电台在工作频段上做接收测试与使用线性电源甚至电池供电的情况作对比,看接收效果和本底噪音是否明显升高。HAM常用的抗干扰简易附加措施是在低压电源线上增加磁环或滤波器抑制传导干扰,将开关电源远离电台和天线放置减小辐射干扰。HAM为短波机选择开关电源除了关注电源干扰情况是否影响电台工作外电源的高功率负载输出电压下跌情况、电源的安全性稳定性、电源自身的抗外接干扰能力都是需要注意的地方。我们曾经碰到过某开关电源在电台发射时经常自动断电保护,而此时电源实际供电电流远不到电源设计指标,后来发现是电台的发射电波对其构成了干扰,在直流输出电源线上增加了滤波措施后问题得以解决。
    总体来说新型的开关电源是科技发展的方向,随着科技的发展开关电源的性能将越来越优秀。开关电源的高效节能、安全稳定、体积小巧都是我们所乐于见到的,开关电源取代传统线性电源是潮流和趋势。

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