如何為通信電源系統(tǒng)選擇整流模塊

如何為通信電源系統(tǒng)選擇整流模塊

1引言

為一個(gè)通信電源系統(tǒng)選擇整流模塊要考慮很多因素。過去，大的壟斷性的電信公司常常選擇冗余量很大的系統(tǒng)方案。但是，隨著全球性市場競爭的日趨激烈，這種選擇方式將是不可取的。為了優(yōu)化一個(gè)電源供電方案，有必要仔細(xì)考察許多相關(guān)因素，包括產(chǎn)品性能與價(jià)格問題，這樣才能以最經(jīng)濟(jì)的方式滿足最終用戶的要求。

各國在法律上不斷對產(chǎn)品的安全性和EMC提出新的要求，使得選擇電源方案的條件更加苛刻。為每一個(gè)應(yīng)用場合提供最優(yōu)方案是必要的，但是為此從頭開始設(shè)計(jì)每一個(gè)系統(tǒng)卻是不可行的?？尚械氖鞘褂脴?biāo)準(zhǔn)組件來配置系統(tǒng)。

整流模塊是電源系統(tǒng)的心臟，選的模塊不正確，很難提供最優(yōu)的電源系統(tǒng)配置。本文研究了與模塊有關(guān)的許多因素以及模塊的運(yùn)行環(huán)境，并從邏輯上提供選擇通信電源系統(tǒng)整流模塊的方法。

本文涉及范圍僅限于單相200W～6kW的整流模塊。但許多思路可應(yīng)用在其它電源上。

2冷卻方式—風(fēng)冷和自冷的選擇

一個(gè)系統(tǒng)的冷卻方式對整流模塊的選擇有非常大的影響。有些系統(tǒng)要求自然冷卻（簡稱自冷），有些則可以接受風(fēng)扇冷卻（簡稱風(fēng)冷）。在同樣功率、同等條件下，風(fēng)冷和自冷模塊的最大區(qū)別在于外形大小及成本多少。西方大的電信公司傳統(tǒng)上選擇自然冷卻，這樣可得到較長的產(chǎn)品壽命，明顯低的維護(hù)成本，電源的初始成本也不象現(xiàn)在這么貴（現(xiàn)在自冷的模塊很貴）。這樣，選擇冗余量很大的系統(tǒng)方案也可以接受，它可以更加安全地供電。

風(fēng)冷模塊在成本和尺寸上的優(yōu)勢被它的缺點(diǎn)所抵消（如噪音，灰塵，風(fēng)扇壽命和可靠性），但實(shí)際上這些缺點(diǎn)并不是最首要考慮的問題。一個(gè)外殼設(shè)計(jì)得很糟糕的自冷模塊的可靠性比采用風(fēng)冷的模塊要低得多，因?yàn)轱L(fēng)冷模塊的冷卻與外殼設(shè)計(jì)無關(guān)。另外，風(fēng)冷產(chǎn)品的關(guān)鍵——半導(dǎo)體器件比自冷系統(tǒng)溫升更低，因而更可靠。

要求設(shè)計(jì)壽命超過7年時(shí)，傳統(tǒng)上不采用風(fēng)扇。但是，如果允許定期更換風(fēng)扇，就有可能得到設(shè)計(jì)壽命更長的風(fēng)冷系統(tǒng)。如果風(fēng)冷整流模塊設(shè)計(jì)成具有風(fēng)扇性能監(jiān)測、現(xiàn)場易于更換風(fēng)扇的特性，則允許系統(tǒng)以低成本獲得高可靠性。20多年以來對整流模塊既要經(jīng)濟(jì)、又要長壽命的設(shè)計(jì)要求是風(fēng)冷產(chǎn)品得以生存的條件。

除了上面提到的風(fēng)冷和自冷技術(shù)外，另外兩種技術(shù)也越來越流行：外部系統(tǒng)冷卻和輔助冷卻。

2?1外部系統(tǒng)冷卻

外部系統(tǒng)冷卻是指由中央冷卻裝置提供空氣流對整流模塊進(jìn)行冷卻。這種方法可以得到高功率密度，而且避免了模塊電源內(nèi)裝風(fēng)扇帶來的一些缺點(diǎn)。這給OEM應(yīng)用中把電源系統(tǒng)集成到整個(gè)通信系統(tǒng)中去的供應(yīng)商帶來顯著益處。比如：

中央冷卻裝置，不僅給電源系統(tǒng)提供空氣流，也冷卻其它部分的通信系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)中央冷卻裝置需要維護(hù)，當(dāng)中央冷卻裝置發(fā)生故障時(shí)電源仍能輸出能量（約為滿載時(shí)的60％）。

2?2輔助風(fēng)冷

輔助風(fēng)冷是指模塊的冷卻是由間斷運(yùn)行的風(fēng)扇提供的。如果溫度過高或持續(xù)輸出大電流時(shí)，風(fēng)扇就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。采用這種方式可以獲得很高的系統(tǒng)集成度，但需要經(jīng)常讓風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)并定期檢測其性能。如果風(fēng)扇工作不正常，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號。該方法的好處有：

在不更換的情況下，風(fēng)扇間斷運(yùn)轉(zhuǎn)使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命比模塊內(nèi)強(qiáng)制風(fēng)冷要長。

如果考慮冗余和電池充電，在正常情況下模塊內(nèi)的風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。

由于風(fēng)扇間斷運(yùn)行，灰塵和噪音問題也大大緩解。

以下舉例說明如何配置系統(tǒng)：

整流模塊：

自然冷卻時(shí)的容量30A

輔助風(fēng)冷時(shí)的容量50A

負(fù)載：

最大負(fù)載110A

電池充電電流30A

總電流140A

要求采用N＋1冗余備份。

要支持140A的輸出容量必須選3個(gè)整流模塊和1個(gè)冗余備用模塊。如果4個(gè)模塊都工作（實(shí)際應(yīng)用正是如此）而且電池充滿了電，每個(gè)模塊的最大負(fù)載電流只有110/4=27.5A，低于模塊自冷額定容量。此時(shí)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。在停電后對電池充電時(shí)，或一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍將滿足要求，但風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)。在典型的系統(tǒng)中，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的比例是非常低的，這大大地延長了產(chǎn)品壽命。而且，根據(jù)以上實(shí)例，某一模塊的風(fēng)扇故障后系統(tǒng)容量只降低10％（從4×50A降到3×50A＋30A）。假如采用強(qiáng)制風(fēng)冷模塊，系統(tǒng)容量將降低25％。

表1給出了各種冷卻方式下的典型功率密度。

表1各種冷卻方式下的典型功率密度＊

3輸入電壓范圍的選擇

為特定的應(yīng)用場合選擇正確的輸入電壓范圍越來越重要。在英國，過去通常定義輸入電壓范圍為216V～264V（即240V±10％）?，F(xiàn)在趨向采用適合于全世界的通用電壓范圍：85V～264V(或更寬）。在實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)極端值（85V和264V）都不是最合適的。

為了滿足國際上規(guī)定的對輸入諧波的要求，開發(fā)了具有110V輸入功率因數(shù)校正電路的整流模塊，從而使產(chǎn)品具有全球通用的輸入電壓范圍。

對于可移動(dòng)設(shè)備市場或全球性使用設(shè)備市場而言，選擇帶功率因數(shù)校正的、通用輸入的模塊無疑是正確的，但對于固定安裝來說，仔細(xì)選擇輸入電壓范圍會(huì)有很大好處。在寬電壓范圍內(nèi)要提供完全的性能將會(huì)給整流模塊帶來成本和尺寸上的顯著增加。這也會(huì)影響系統(tǒng)冷卻。實(shí)際應(yīng)用中整流模塊工作在85V輸入電壓時(shí)的損耗是230V時(shí)的兩倍。

顯然，有時(shí)必須在寬電壓范圍內(nèi)提供完全的性能。但是在某些場合，當(dāng)輸入電壓低于某一閾值時(shí)只要求在短時(shí)間內(nèi)提供完全性能，這樣就不需要處理散熱問題，從而顯著地降低了成本和縮小了體積。

如果系統(tǒng)工作在115V額定輸入電壓下，那么運(yùn)行在103?5V（115V－10％）時(shí)的損耗與運(yùn)行在85V時(shí)的損耗相差15％。要求在85V以上能連續(xù)工作的系統(tǒng)將比在103?5V時(shí)連續(xù)工作的系統(tǒng)要多損耗15％的功率。連續(xù)工作在103?5V下并不意味著系統(tǒng)不能可靠地短時(shí)間工作在很低的電壓下。對此的精確控制將取決于模塊內(nèi)的溫度監(jiān)控電路。圖1給出了典型的功率損耗與輸入電壓之間的關(guān)系。

圖1具有全球通用輸入電壓的模塊的典型功率損耗

4限流特性

通常電源系統(tǒng)在整個(gè)電壓輸出范圍內(nèi)具有恒流特性，在短路時(shí)輸出電壓、電流以折線或直線下降。這一傳統(tǒng)方式并不理想。仔細(xì)考慮負(fù)載的所有真實(shí)特性可以使系統(tǒng)得到優(yōu)化。

加在一個(gè)通信電源系統(tǒng)上的負(fù)載實(shí)際上是許多小負(fù)載的總和。一些負(fù)載是電阻性的，一些是恒電流性的，一些是恒功率性的，電池組也會(huì)因充電狀態(tài)的變化而使充電電流變化。如果系統(tǒng)以工作在最高電池浮充電壓下的最大總負(fù)載電流（包含電池充電電流）來確定其容量，那么就會(huì)富余很多的供電容量。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中越來越多的設(shè)備采用系統(tǒng)內(nèi)置DC/DC變換器，它可以提供不隨供電電源輸出母線電壓變化而變化的恒定直流電壓。這種恒功率特性要求在母線電壓下降時(shí)輸入電流增加。如果恒功率負(fù)載在55V時(shí)消耗1A，那么在40V時(shí)消耗1?3A。而恒電阻負(fù)載在55V時(shí)消耗1A，在40V時(shí)只消耗0?7A。仔細(xì)地分析在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)所有負(fù)載的實(shí)際情況就會(huì)知道，是否可以通過一種不同于傳統(tǒng)的恒電流的限流特性來優(yōu)化系統(tǒng)。

以下方法可用來確定是否采用優(yōu)化的特性曲線。假設(shè)：

Id—40V時(shí)的DC/DC最大的輸入電流

Ir—55V時(shí)最大電阻性電流

Ib—恒定的電池充電電流

It—總負(fù)載電流

那么在55V時(shí)：

It=Id×40/55＋I(xiàn)r＋I(xiàn)b

在40V時(shí)：

It=Id＋I(xiàn)r×40/55＋I(xiàn)b

假定正常浮充電壓為55V，最低電池電壓為40V。

例1

設(shè)：Id=100A，Ir=20A，Ib=10A

在55V時(shí)：

It=(100×40/55)＋20＋10=102.7A

等于5?64kW的功率。

在40V時(shí)：

It=100＋(20×40/55)＋10=124.5A

這等于4?98kW的功率。

例2

設(shè)：Id=50A，Ir=70A，Ib=10A

在55V時(shí)：

It=(50×40/55)＋70＋10=116.4A

等于6.4kW的功率。

在40V時(shí)：

It=50＋(70×40/55)＋10=110.9A

這等于4?44kW的功率。

在例1中，如果在模塊內(nèi)采用部分恒功率特性電路，可以把最大功率從6?85kW(124.5×55)縮減到5.64kW，節(jié)省了17％還多。

在例2中，在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)，電流隨著電壓的下降而降得很少，所以適合于整流模塊內(nèi)具有恒電流特性的電路。

現(xiàn)代開關(guān)式拓?fù)浼夹g(shù)可以輕易地做到根據(jù)總負(fù)載要求來確定輸出特性，使得在一定的負(fù)載組合下減小總的安裝功率也能滿足要求。

圖2顯示出一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的輸出限流特性曲線的模塊，它滿足例1的要求。

圖2 優(yōu)化輸出限流特性曲線

圖中A—傳統(tǒng)恒電流限流特性

B—部分恒功率限流特性

C—帶恒功率負(fù)載

圖中A和B之間的三角區(qū)域等效減小了約17％的功率。

5溫度范圍

通信設(shè)備的運(yùn)行溫度范圍是非常重要的參數(shù)。一些設(shè)備要求工作在室溫下，而另一些設(shè)備要求工作在很寬的溫度范圍內(nèi)（如－40℃至＋65℃）。正如第1節(jié)所說，仔細(xì)考慮溫度和散熱對于系統(tǒng)的可靠和有效運(yùn)行非常重要。如果實(shí)際要求電源系統(tǒng)工作在寬溫度范圍內(nèi)，顯然保證系統(tǒng)中的所有元器件可靠地工作是很必要的。為達(dá)到這一目的和最大限度減少成本，應(yīng)仔細(xì)估算在兩個(gè)極端溫度點(diǎn)處是否需要達(dá)到完全的性能指標(biāo)，即在很低的溫度下完全達(dá)到常溫時(shí)的系統(tǒng)指標(biāo)是否必要？在很高的溫度時(shí)是否有必要提供最大的功率輸出？

實(shí)際上，在極端溫度點(diǎn)處對模塊的要求越低，系統(tǒng)就可以越經(jīng)濟(jì)。

一些設(shè)備要求在很低溫度下運(yùn)行時(shí)性能不能打一點(diǎn)折扣。這時(shí)系統(tǒng)應(yīng)能滿足所有參數(shù)要求。如果有些特性可以降低要求，成本將顯著降低。要求電源系統(tǒng)在如此低的溫度下工作往往是因?yàn)樵O(shè)備在冷天閑置一段時(shí)間后需要可靠地起動(dòng)。實(shí)際上，系統(tǒng)在起動(dòng)一段時(shí)間以后由于自身發(fā)熱溫度會(huì)上升。放松在低溫時(shí)對非關(guān)鍵參數(shù)的要求（如輸出噪音、輔助特性）對降低模塊成本有好處。實(shí)際應(yīng)用中，如果規(guī)定模塊可以在最低溫度下起動(dòng)和在較高一些溫度下完全達(dá)到指標(biāo)地工作是很有用的。

如果要求高溫環(huán)境下工作，一般電源在高于一定溫度值時(shí)其功率額定值會(huì)降低。即在溫升20℃時(shí)輸出功率減少30％。

這種對輸出能力的限制可解釋為在傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的初期設(shè)計(jì)階段，負(fù)載要求電源在電壓控制模式下運(yùn)行；只有運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)才需要限流。當(dāng)電池處于高度充電狀態(tài)時(shí)，整流模塊的輸出需在恒壓下運(yùn)行。但當(dāng)電池剛開始充電時(shí)，模塊需在恒流狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行一定的時(shí)間。如果采用溫度降額（即溫度升高額定輸出功率降低），必須同時(shí)減小限流點(diǎn)（保證在限流時(shí)安全運(yùn)行）以確保模塊在最差的環(huán)境溫度條件下其功率容量不會(huì)超出設(shè)計(jì)值。實(shí)際上要在高溫下運(yùn)行，整流模塊的限流點(diǎn)比在較低溫度條件下運(yùn)行時(shí)的限流點(diǎn)更低。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常的工作環(huán)境溫度會(huì)因氣候的變化和系統(tǒng)的運(yùn)行條件的變化而變化。整流模塊一般不會(huì)在其指定的最高環(huán)境溫度條件下持續(xù)運(yùn)行相當(dāng)長時(shí)間。如果模塊限制的溫度控制適當(dāng)，就能在大多數(shù)運(yùn)行情況下，只對模塊在最高環(huán)境溫度時(shí)的容量作限制，使電源系統(tǒng)的功率最大化（特別是當(dāng)模塊的輸入電壓偏向下限時(shí)）。如果要限制模塊的輸出容量以滿足在最高環(huán)境溫度下能在正常的功率范圍內(nèi)安全運(yùn)行，可在模塊內(nèi)安裝適合的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，在較低溫的條件下可自動(dòng)提供更大的功率。

在具體應(yīng)用中有可能不接受經(jīng)常因?yàn)闇囟冗^高而降額輸出，但是如果仔細(xì)研究最高溫時(shí)的最小要求，就可以判斷是否可以采用這一功能。例如：

?在最高運(yùn)行溫度時(shí)是否需要系統(tǒng)提供電池再充電電流？或是否可以接受更長的再充電時(shí)間？

?在最高環(huán)境溫度下系統(tǒng)的一些特性能否被抑制以減少最大電流的需要？

?在最高環(huán)境溫度下系統(tǒng)冗余能否消除？

如果整流模塊的溫度與限流性能相關(guān)聯(lián)，那會(huì)帶來非常顯著的益處。

這一特征也可和以上提到過的部分恒功率特性組合起來，這樣就可以盡可能發(fā)揮它的優(yōu)勢。同時(shí)要注意的是，在高溫時(shí)，帶溫度限流的模塊由于輸入電壓使得功率損耗變化，這樣，系統(tǒng)在標(biāo)稱電壓左右工作時(shí)比在最小輸入電壓工作時(shí)能提供更大的電流容量。

6增加的功能和信號

最簡單的整流模塊僅僅是給通信系統(tǒng)供電。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要模塊能提供更多的報(bào)警信號或輔助功能。

有時(shí)模塊只提供一路“輸出正?！被颉澳K失效”信號就夠了，但有時(shí)必須提供很復(fù)雜的信號，并在模塊上帶顯示。

設(shè)計(jì)靈活的整流模塊可根據(jù)用戶的需要而隨意改變和擴(kuò)充信號，不需要對電源的核心作變動(dòng)。

這個(gè)辦法使只需要簡單功能模塊的用戶不需花錢購買不必要的性能。

帶智能信號的模塊已越來越受歡迎，這使終端用戶更容易編程控制。這同時(shí)也使模塊更容易適應(yīng)不同用戶的要求。智能信號可幫助廠商降低成本，減少維修程序，也減少了對勞動(dòng)力的需要。

在整流模塊中越來越普遍使用的信號是：

?輸出電流信號

?限流可編程

?強(qiáng)制均流

?電池溫度補(bǔ)償

一個(gè)使電源系統(tǒng)簡化的新功能是整流器內(nèi)置低壓斷開裝置。這一功能會(huì)在市電斷電一段時(shí)間后電池電壓低于閾值時(shí)發(fā)揮作用，這就防止了電池的永久性損壞。如果是大量模塊并聯(lián)的系統(tǒng)，在每個(gè)模塊內(nèi)置低壓斷開裝置很不實(shí)際；這時(shí)選用系統(tǒng)解決辦法更合適。在較小的系統(tǒng)即2個(gè)模塊并聯(lián)（1＋1)，每個(gè)模塊都內(nèi)置一個(gè)低壓斷開裝置很理想。這會(huì)使系統(tǒng)特別簡易，只有兩個(gè)整流器，一個(gè)電池和一個(gè)電池保險(xiǎn)。圖3是系統(tǒng)框圖。

以上就是各種信號和特征的介紹。很顯然，對應(yīng)用案例仔細(xì)考慮就可以降低系統(tǒng)中使用模塊的成本。

圖3二個(gè)模塊并聯(lián)系統(tǒng)框圖

7連接性

整流模塊和系統(tǒng)的連接方式對制造廠商的成本有很大的影響。需要連接的三個(gè)端口是交流輸入，直流輸出和報(bào)警信號。

簡單的模塊具有連接電源輸入輸出的螺栓連接和一個(gè)簡單的多針信號連接器，但這種連接越來越不受歡迎，因?yàn)榘惭b和更換相對比較困難。

當(dāng)今流行的趨勢是“熱插拔”模塊，它們可自動(dòng)和交流電源、直流匯流條、各報(bào)警監(jiān)控電路連接，因?yàn)槟K可以滑進(jìn)自身的支撐架里。安裝和拆卸根本不需要任何技能。帶“熱插拔”連接的整流器比一般螺釘連接的生產(chǎn)成本更高，但如把安裝和維修成本考慮在內(nèi)，就會(huì)便宜了。

還有一些整流模塊采用介于以上兩種方式之間的連接方法。有一種帶輸入連接器，輸出連接器和信號連接器的模塊，因?yàn)樗跈C(jī)架安裝時(shí)，不是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)連接，但仍可以稱為“熱替換”，它在安裝和替換時(shí)要求掌握更高的技術(shù)以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

模塊連接性的正確選擇很大程度上根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和地點(diǎn)而定。如果使用地點(diǎn)很遠(yuǎn)，安裝和維修需要技術(shù)性很強(qiáng)的人員，這種情況最好選用熱插拔模塊。如果在技術(shù)人員隨時(shí)可到的地點(diǎn)使用，那么低成本的連接器更實(shí)用。

8結(jié)語

許多相互關(guān)聯(lián)的因素會(huì)影響對通信用整流模塊的選擇。如果在最壞故障條件下設(shè)定整流器的技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)將具有比實(shí)際需要更大的容量。

冷卻方式的選擇會(huì)影響整流器的物理尺寸，最大高達(dá)2?5倍。

有些模塊初看起來應(yīng)選用自然冷卻方式，在應(yīng)用中使用風(fēng)扇冷卻也可行。

模塊內(nèi)的功耗會(huì)隨著輸入電壓的下降而明顯增加，因此優(yōu)化配置系統(tǒng)時(shí)認(rèn)真設(shè)定輸入電壓的技術(shù)指標(biāo)非常重要。

如果部分恒功率限流特性應(yīng)用于一定的負(fù)載類型，整流器的最大功率可有20％的偏差。

靈活分析限流特性溫度以確保在高溫條件下提供足夠的容量。

整流模塊內(nèi)的增強(qiáng)功能很大程度上簡化了電源系統(tǒng)，而且模塊提供的正確信號技術(shù)將確保系統(tǒng)的簡易維修。

熱插拔整流器初看起來價(jià)格昂貴，但如果生產(chǎn)廠商從總成本來考慮，實(shí)際上會(huì)更便宜。

總而言之，影響優(yōu)化選擇通信電源系統(tǒng)整流模塊的因素很多（比文中提到的更多）。要優(yōu)化配置一個(gè)電源，就必須全面了解整個(gè)系統(tǒng)。