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。

21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％）。

22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(hào)。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1035V（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1035V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1035V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13A。而恒電阻負(fù)載在55V時(shí)消耗1A，在40V時(shí)只消耗07A。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)。