3500W与6000W高档开关电源的剖析（2）
3500w与6000w高档开关电源的剖析（2）
摘要：剖析了直流输出48v/70a与350v/10a两种3500w和48v/112a与350v/17a两种6000w高档开关电源的电路设计与元器件应用特点，并提出了有待继续分析的问题。
关键词：功率因数校正；buck?boost变换器；分段式控制
4 6000w电源剖析
经实体解剖证实，两种3500w电源的pfc贴片控制板电路结构、元器件完全相同。随后解剖了两种新搞到的6000w电源证明，其pfc贴片控制板电路结构与原3500w也基本相同。ascom公司2000年投产的两种高档6000w电源（直流输出48v/112a和350v/17a），是更换淘汰ibm军用电源的工业级产品。说明了pfc控制电路设计已十分成熟，没有必要再改。
在打开6000w电源的外壳铁盖后，看到其大号的cbb多只高压电容器上，均标出了厂年月为“9926”、“9938”等。其中48v/112a通信电源的散热器加高了2～3倍，重达8kg；细看电源主板上的5只大号φ47mm磁环电感器与3500w电源相同，主功率变压器和boost储能电感器的外形结构也相似相近，只是又加长了约30％或体积增大了些。后来解剖发现两种6000w电源相同的boost-pfc大电感器磁芯增加到4付8块ee55组合而成；48v/112a电源的主功率变压器改用3块φ73mm扁平磁环叠合而成。
6000w电源的mosfet均改用工业级标准型号公开的新品，是ir公司或ixys产品，每台电源用6只mosfet均为sot-227b封装的四螺孔接线形式，并新增加一块专用功率印制板紧固6只mosfet的漏极、源极、栅极螺孔连线片，明显改进了维修更换条件。功率板上的99″驱动变压器和驱动ic?m1c4421(99″)等，与3500w电源相同。
5 高功率因数的实现
在实体拆焊解剖原贴片式pfc控制板时发现二个非常奇怪的现象：一是pfc主芯片ic脚16驱动输出端铜箔走线居然被悬空，不接电路板上任何其他元器件；二是ic脚14反常地接地线，它原是ic内部高频振荡器的ct电容器外接引脚端。为此，我于2001年底特别请教了李龙文先生，他是十年前我国最早消化、吸收、引进美国unitrode公司专用ic的开关电源应用专家。
早期问世的uc3854，作为高频有源功率因数校正器的代表性产品，专用于大功率电源抑制谐波电流污染电网，它是国际上经典的pfc功率因数校正“绿色能源”产品，早已选作美国的国家电源工业标准。十几年来专业期刊上发表的研究文献，均是整体选用uc3854作为pfc电路主芯片，没有见过停用uc3854内部高频振荡器和驱动输出的8只ic组合的pfc设计。
为什么3500w电源的实测pf≥0.999，能达到如此高性能指标，结论只有在调查的末尾才可得到。在充分准备之后，用特殊烙铁头逐一拆焊了高密度贴片pfc控制板上的近百个元器件，并逐一粘固在事先作了编号的硬壳白纸上。随后又细致测量了每一只电阻器和电容器的实际数值；并用万用表的r×kω档（内含1?5v电池）、r×10k档（内含9v＋1.5v电池）量程测量记录了十几只二极管的正向电阻值和反向电阻值，包括整流、开关、稳压二极管，肖特基二极管等。
图7是放大的pfc控制板8只ic各引脚铜箔走线实体布局图。经过反复测查两面的穿心焊点连线之后，可绘制真实的pfc控制板电路图。现给出主芯片m1-uc3854（假代号53h1747）与其他7只ic内部单元电路相连的关系网图（图8）。并给出pfc控制板经插脚与电源整机主板上重点器件的连线简图（图9）。
图7 放大加工后按铜箔走线和焊点绘制的8只ic与阻容等连线图
图8 pfc控制板上主芯片m1与7只辅助ic内部单元电路关系网图 图9 pfc控制经插脚与电源整机主板上主要元器件连线简图 两种3500w电源主板上完全相同的pfc控制板电路，它的奇特之处在于：其主芯片uc3854只利用了内部电路的前半部分，即线性模拟乘法器和电流误差放大器等；而其他重要的单元电路，如高频振荡器、pwm比较器、r-s触发器、逻辑控制电路和开关脉冲预放大驱动器，却反常地留给了pfc控制板上其他ic（lm319，lm339，lm358和lm393，74c00，74c04等共7只）来分别完成，设计者独辟新路，是为了扩大主芯片控制范围。 pfc控制板是电源整机实现高功率因数值的指挥中心。它分3路分别经3个插头焊脚送往3大功率器件，对3500w高档电源3个环节实现控制： 1）电网输入整流器p425 单相全波整流可控桥，二可控端为g1、g2； 2）buck-pfcigbt功率开关管 实行分段式控制，在三相或单相输入时工作状态不同； 3）bcost-pfcmosfet功率开关管 控制脉冲经脚10输出，又经驱动ic放大。 对两种3500w大功率电源整机通电加载，在较重负载时实测pf≥0?998，充分证明了pfc功率因数校正器电路系统的性能高超、设计成熟、巧妙独特。它在电路整体结构上是一个buck-boost组合的pfc控制电路，对igbt开关管采用分段式控制，即当市电输入电压为三相380v时，全波整流器输出的100hz低频脉动电压峰值达570v左右，则pfc控制板自动送出pwm脉冲到buck电路的igbt栅极，以pwm方式对其输出开关脉冲先作降压处理，再送往boost变换器储能电感和mosfet、二极管等。当市电输入电压为单相220v时，全波整流器的输出脉动低频电压峰值约310v，于是控制电路自动关断igbt栅极的方波电压，使buck失效，igbt开关不再衰减脉动电压。 在家庭实验条件下只有单相220v电压。此时igbt处于导通状态，在功率管igbt栅极实测到的电压波形不是pwm矩形波，而是310v、100hz脉动电压波形。因为栅极与射极处于直通状态。 图10给出了在空载恶劣条件下，实际测量打印的48v、70a通信电源市电输入电流波形，和最敏感变坏的电流谐波与功率因数值：输入电流波形变为尖窄脉冲、且相位明显偏离输入电压的正弦波相位；总电流谐波高达56.2％（3次谐波为41.9％，5次为26.9％，7次15.8％，9次14.2％等）；功率因数值剧降到0.456，比350v特种电源空载时的pf=0.859差了许多（它的电流总谐波仅21.5％、3次谐波14.6％，5次为10.5％，7次5.2％，9次1.9％等）。 当48v电源加载到440w后，其市电输入电流波形明显转好，相位偏离也减小，敏感的电流总谐波降至15％，功率因数值大幅提高到0.958，虽然它接近350v电源加载到400w后的pf=0.989，但细看比较48v电流波形，显然台阶突起仍多尖，不如前者更接近正弦波形，且350w电源的加载后电流总谐波又显著减小到6.3％。当48v电源再加载到942.8w时，其电流波形也进一步改善为小台阶，电流总谐波又降至7.1％，pf=0.987。当48v电源加载到1385w时，输入电流波形才接近正弦波，pf=0.995，电流总谐波降到4.0％。（见图10，图11，图12与表2）。
(a)市电输入电压电流波形 (b)电流频谱 图10空载恶劣条件下测量打印48v/70a电源市电输入波形、电流频谱
(a)市电输入电压电流波形
(b)电流频谱 图11加载440w后测量打印48v电源市电输入波形、电流频谱 (a)极轻载229.5v,1.020a,150.83w,pf=0.645 (b)中载ⅰ：226.0v,4.225a,942.80w,pf=0.987 (c)中载ⅱ：223.7v,6.223a,1385.04w,pf=0.995 (d)中载ⅲ：221.6v,8.264a,1826.50w,pf=0.997 (e)重载ⅰ：219.3v,10.362a,2268.30w,pf=0.998 (f)重载ⅱ：217.6v,12.013a, 2610.56w,pf=0.999 图12 测量打印48v/70a电源在另6种不同负载时的市电输入波形 表2 48v/70a电源在九种不同负载时的功耗、功率因数、电流总谐波、电压总谐波 空载 极轻载 轻载ⅰ 轻载ⅱ 中载ⅰ 中载ⅱ 中载ⅲ 重载ⅰ 重载ⅱ 功耗/w 106.3 150.8 550 731.7 9428 1385 1826 2268 2610 功率因数 0.456 0.645 0.958 0.978 0.987 0.995 0.997 0.998 0.999 电流总谐波/％ 56.2 39.0 15.0 9.4％ 7.1 4.0 3.4 3.3 2.5 电压总谐波/％ 2.1 1.2 2.1 1.4％ 2.3 2.1 2.2 2.5 2.2 3次谐波电流/％ 41.8 26.1 7.6 3.7％ 3.1 1.3 0.9 0.8 0.9
满载时：2904.6w，13.08a，pf=0．999，电流总谐波2.8％，电压总谐波2.7％，3次谐波电流1?0％ 分别在空载、轻载、中载、重载、满载等多种不同条件下，测量打印了多台48v电源和多台350v电源的许多波形、谐波数据、pf值后，发现每种电源正常工作时的特性参数基本相似，大同小异。350v电源多台的主要性能指标，都明显高于多台48v通信电源。 6 问题 下面为大功率开关电源技术研究者摆出了一些疑问和困惑。 实体解剖48v/70a电源主板电路元器件，发现两个意外的反常设计：一是直流输出端没有并联泄放电阻，造成空载时副边整流回路电流剧减；二是主功率变压器原边绕组没有串接附加谐振电感器，导致全桥变换器滞后臂开关管轻载时不能实现零电压软开关，使损耗大增。而相比较之下，350v电源不但原边绕组串接了铁硅铝磁环的附加谐振电感器，而且副边整流后还增加了先进的有源箝位电路。这究竟是ibm电源各个专题组的设计失误造成？还是48v中低压输出大电流电源实际存在的设计难题？或是舰上工作条件无空载？请国内专家帮助分析。 7 测量仪器介绍 杭州远方仪表厂2001年生产的pf9811智能电量测量仪，是测量各种电源多项电参数，并能够进行记录、数字处理、微机传输的的专用设备。它对电网电压、电流、功耗、功率因数等测量精度达1/1000；并提供专项测试软件给计算机。电源通电加载后它有4个红光显示屏同时给出4种电参量瞬态值。当需要测量并打印出电源的市电输入交流电压和电流波形、功率、pf等时，只须按下“锁存”键，此时4个显示屏给出的数据，均转为特定负载条件下的稳态值，它们经rs-232接口送给计算机。按pf9811专用软件，每次连续打印出2页测试报告。第1页是图3中市电输入电流波形、电压波形、频谱特性；第2页是表1中1～50次电压谐波、电流谐波数据群。 特别是能精确打印出某个负载时电源市电输入电流波形，能最直观灵敏真实地反映pfc电路控制电源系统的功率因数校正结果。这为进一步深入解剖、参数试验、改进设计，提供了关键的判断依据和监测对象。这种“三合一”高档测量打印方法（pf9811＋联想电脑＋专用软件），是深入研究全桥变换器移相控制zvs大功率开关电源的重要手段。
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图8 pfc控制板上主芯片m1与7只辅助ic内部单元电路关系网图 图9 pfc控制经插脚与电源整机主板上主要元器件连线简图 两种3500w电源主板上完全相同的pfc控制板电路，它的奇特之处在于：其主芯片uc3854只利用了内部电路的前半部分，即线性模拟乘法器和电流误差放大器等；而其他重要的单元电路，如高频振荡器、pwm比较器、r-s触发器、逻辑控制电路和开关脉冲预放大驱动器，却反常地留给了pfc控制板上其他ic（lm319，lm339，lm358和lm393，74c00，74c04等共7只）来分别完成，设计者独辟新路，是为了扩大主芯片控制范围。 pfc控制板是电源整机实现高功率因数值的指挥中心。它分3路分别经3个插头焊脚送往3大功率器件，对3500w高档电源3个环节实现控制： 1）电网输入整流器p425 单相全波整流可控桥，二可控端为g1、g2； 2）buck-pfcigbt功率开关管 实行分段式控制，在三相或单相输入时工作状态不同； 3）bcost-pfcmosfet功率开关管 控制脉冲经脚10输出，又经驱动ic放大。 对两种3500w大功率电源整机通电加载，在较重负载时实测pf≥0?998，充分证明了pfc功率因数校正器电路系统的性能高超、设计成熟、巧妙独特。它在电路整体结构上是一个buck-boost组合的pfc控制电路，对igbt开关管采用分段式控制，即当市电输入电压为三相380v时，全波整流器输出的100hz低频脉动电压峰值达570v左右，则pfc控制板自动送出pwm脉冲到buck电路的igbt栅极，以pwm方式对其输出开关脉冲先作降压处理，再送往boost变换器储能电感和mosfet、二极管等。当市电输入电压为单相220v时，全波整流器的输出脉动低频电压峰值约310v，于是控制电路自动关断igbt栅极的方波电压，使buck失效，igbt开关不再衰减脉动电压。 在家庭实验条件下只有单相220v电压。此时igbt处于导通状态，在功率管igbt栅极实测到的电压波形不是pwm矩形波，而是310v、100hz脉动电压波形。因为栅极与射极处于直通状态。 图10给出了在空载恶劣条件下，实际测量打印的48v、70a通信电源市电输入电流波形，和最敏感变坏的电流谐波与功率因数值：输入电流波形变为尖窄脉冲、且相位明显偏离输入电压的正弦波相位；总电流谐波高达56.2％（3次谐波为41.9％，5次为26.9％，7次15.8％，9次14.2％等）；功率因数值剧降到0.456，比350v特种电源空载时的pf=0.859差了许多（它的电流总谐波仅21.5％、3次谐波14.6％，5次为10.5％，7次5.2％，9次1.9％等）。 当48v电源加载到440w后，其市电输入电流波形明显转好，相位偏离也减小，敏感的电流总谐波降至15％，功率因数值大幅提高到0.958，虽然它接近350v电源加载到400w后的pf=0.989，但细看比较48v电流波形，显然台阶突起仍多尖，不如前者更接近正弦波形，且350w电源的加载后电流总谐波又显著减小到6.3％。当48v电源再加载到942.8w时，其电流波形也进一步改善为小台阶，电流总谐波又降至7.1％，pf=0.987。当48v电源加载到1385w时，输入电流波形才接近正弦波，pf=0.995，电流总谐波降到4.0％。（见图10，图11，图12与表2）。
(a)市电输入电压电流波形 (b)电流频谱 图10空载恶劣条件下测量打印48v/70a电源市电输入波形、电流频谱
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(b)电流频谱 图11加载440w后测量打印48v电源市电输入波形、电流频谱 (a)极轻载229.5v,1.020a,150.83w,pf=0.645 (b)中载ⅰ：226.0v,4.225a,942.80w,pf=0.987 (c)中载ⅱ：223.7v,6.223a,1385.04w,pf=0.995 (d)中载ⅲ：221.6v,8.264a,1826.50w,pf=0.997 (e)重载ⅰ：219.3v,10.362a,2268.30w,pf=0.998 (f)重载ⅱ：217.6v,12.013a, 2610.56w,pf=0.999 图12 测量打印48v/70a电源在另6种不同负载时的市电输入波形 表2 48v/70a电源在九种不同负载时的功耗、功率因数、电流总谐波、电压总谐波 空载 极轻载 轻载ⅰ 轻载ⅱ 中载ⅰ 中载ⅱ 中载ⅲ 重载ⅰ 重载ⅱ 功耗/w 106.3 150.8 550 731.7 9428 1385 1826 2268 2610 功率因数 0.456 0.645 0.958 0.978 0.987 0.995 0.997 0.998 0.999 电流总谐波/％ 56.2 39.0 15.0 9.4％ 7.1 4.0 3.4 3.3 2.5 电压总谐波/％ 2.1 1.2 2.1 1.4％ 2.3 2.1 2.2 2.5 2.2 3次谐波电流/％ 41.8 26.1 7.6 3.7％ 3.1 1.3 0.9 0.8 0.9
满载时：2904.6w，13.08a，pf=0．999，电流总谐波2.8％，电压总谐波2.7％，3次谐波电流1?0％ 分别在空载、轻载、中载、重载、满载等多种不同条件下，测量打印了多台48v电源和多台350v电源的许多波形、谐波数据、pf值后，发现每种电源正常工作时的特性参数基本相似，大同小异。350v电源多台的主要性能指标，都明显高于多台48v通信电源。 6 问题 下面为大功率开关电源技术研究者摆出了一些疑问和困惑。 实体解剖48v/70a电源主板电路元器件，发现两个意外的反常设计：一是直流输出端没有并联泄放电阻，造成空载时副边整流回路电流剧减；二是主功率变压器原边绕组没有串接附加谐振电感器，导致全桥变换器滞后臂开关管轻载时不能实现零电压软开关，使损耗大增。而相比较之下，350v电源不但原边绕组串接了铁硅铝磁环的附加谐振电感器，而且副边整流后还增加了先进的有源箝位电路。这究竟是ibm电源各个专题组的设计失误造成？还是48v中低压输出大电流电源实际存在的设计难题？或是舰上工作条件无空载？请国内专家帮助分析。 7 测量仪器介绍 杭州远方仪表厂2001年生产的pf9811智能电量测量仪，是测量各种电源多项电参数，并能够进行记录、数字处理、微机传输的的专用设备。它对电网电压、电流、功耗、功率因数等测量精度达1/1000；并提供专项测试软件给计算机。电源通电加载后它有4个红光显示屏同时给出4种电参量瞬态值。当需要测量并打印出电源的市电输入交流电压和电流波形、功率、pf等时，只须按下“锁存”键，此时4个显示屏给出的数据，均转为特定负载条件下的稳态值，它们经rs-232接口送给计算机。按pf9811专用软件，每次连续打印出2页测试报告。第1页是图3中市电输入电流波形、电压波形、频谱特性；第2页是表1中1～50次电压谐波、电流谐波数据群。 特别是能精确打印出某个负载时电源市电输入电流波形，能最直观灵敏真实地反映pfc电路控制电源系统的功率因数校正结果。这为进一步深入解剖、参数试验、改进设计，提供了关键的判断依据和监测对象。这种“三合一”高档测量打印方法（pf9811＋联想电脑＋专用软件），是深入研究全桥变换器移相控制zvs大功率开关电源的重要手段。
5G的三大应用场景
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