如何為通信電源系統選擇整流模塊

1引言

為一個(gè)通信電源系統選擇整流模塊要考慮很多因素。過(guò)去，大的壟斷性的電信公司常常選擇冗余量很大的系統方案。但是，隨著(zhù)全球性市場(chǎng)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，有必要仔細考察許多相關(guān)因素，包括產(chǎn)品性能與價(jià)格問(wèn)題，這樣才能以最經(jīng)濟的方式滿(mǎn)足最終用戶(hù)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)應用場(chǎng)合提供最優(yōu)方案是必要的，但是為此從頭開(kāi)始設計每一個(gè)系統卻是不可行的?？尚械氖鞘褂脴藴式M件來(lái)配置系統。

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

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)系統的冷卻方式對整流模塊的選擇有非常大的影響。有些系統要求自然冷卻（簡(jiǎn)稱(chēng)自冷），有些則可以接受風(fēng)扇冷卻（簡(jiǎn)稱(chēng)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別在于外形大小及成本多少。西方大的電信公司傳統上選擇自然冷卻，這樣可得到較長(cháng)的產(chǎn)品壽命，明顯低的維護成本，電源的初始成本也不象現在這么貴（現在自冷的模塊很貴）。這樣，選擇冗余量很大的系統方案也可以接受，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(wèn)題。一個(gè)外殼設計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，因為風(fēng)冷模塊的冷卻與外殼設計無(wú)關(guān)。另外，風(fēng)冷產(chǎn)品的關(guān)鍵——半導體器件比自冷系統溫升更低，因而更可靠。

要求設計壽命超過(guò)7年時(shí)，傳統上不采用風(fēng)扇。但是，如果允許定期更換風(fēng)扇，就有可能得到設計壽命更長(cháng)的風(fēng)冷系統。如果風(fēng)冷整流模塊設計成具有風(fēng)扇性能監測、現場(chǎng)易于更換風(fēng)扇的特性，則允許系統以低成本獲得高可靠性。20多年以來(lái)對整流模塊既要經(jīng)濟、又要長(cháng)壽命的設計要求是風(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(lái)越流行：外部系統冷卻和輔助冷卻。

21外部系統冷卻

外部系統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裝風(fēng)扇帶來(lái)的一些缺點(diǎn)。這給OEM應用中把電源系統集成到整個(gè)通信系統中去的供應商帶來(lái)顯著(zhù)益處。比如：

中央冷卻裝置，不僅給電源系統提供空氣流，也冷卻其它部分的通信系統。一個(gè)系統中只有一個(gè)中央冷卻裝置需要維護，當中央冷卻裝置發(fā)生故障時(shí)電源仍能輸出能量（約為滿(mǎn)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行的風(fēng)扇提供的。如果溫度過(guò)高或持續輸出大電流時(shí)，風(fēng)扇就會(huì )運轉。采用這種方式可以獲得很高的系統集成度，但需要經(jīng)常讓風(fēng)扇運轉并定期檢測其性能。如果風(fēng)扇工作不正常，就會(huì )發(fā)出報警信號。該方法的好處有：

在不更換的情況下，風(fēng)扇間斷運轉使得系統設計壽命比模塊內強制風(fēng)冷要長(cháng)。

如果考慮冗余和電池充電，在正常情況下模塊內的風(fēng)扇不轉。

由于風(fēng)扇間斷運行，灰塵和噪音問(wèn)題也大大緩解。

以下舉例說(shuō)明如何配置系統：

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

負載：

最大負載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)際應用正是如此）而且電池充滿(mǎn)了電，每個(gè)模塊的最大負載電流只有110/4=27.5A，低于模塊自冷額定容量。此時(shí)風(fēng)扇不轉。在停電后對電池充電時(shí)，或一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統仍將滿(mǎn)足要求，但風(fēng)扇開(kāi)始運轉。在典型的系統中，風(fēng)扇運轉時(shí)間的比例是非常低的，這大大地延長(cháng)了產(chǎn)品壽命。而且，根據以上實(shí)例，某一模塊的風(fēng)扇故障后系統容量只降低10％（從4×50A降到3×50A＋30A）。假如采用強制風(fēng)冷模塊，系統容量將降低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

為特定的應用場(chǎng)合選擇正確的輸入電壓范圍越來(lái)越重要。在英國，過(guò)去通常定義輸入電壓范圍為216V～264V（即240V±10％）?，F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)際應用中兩個(gè)極端值（85V和264V）都不是最合適的。

為了滿(mǎn)足國際上規定的對輸入諧波的要求，開(kāi)發(fā)了具有110V輸入功率因數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)設備市場(chǎng)或全球性使用設備市場(chǎng)而言，選擇帶功率因數校正的、通用輸入的模塊無(wú)疑是正確的，但對于固定安裝來(lái)說(shuō)，仔細選擇輸入電壓范圍會(huì )有很大好處。在寬電壓范圍內要提供完全的性能將會(huì )給整流模塊帶來(lái)成本和尺寸上的顯著(zhù)增加。這也會(huì )影響系統冷卻。實(shí)際應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提供完全的性能。但是在某些場(chǎng)合，當輸入電壓低于某一閾值時(shí)只要求在短時(shí)間內提供完全性能，這樣就不需要處理散熱問(wèn)題，從而顯著(zhù)地降低了成本和縮小了體積。

如果系統工作在115V額定輸入電壓下，那么運行在1035V（115V－10％）時(shí)的損耗與運行在85V時(shí)的損耗相差15％。要求在85V以上能連續工作的系統將比在1035V時(shí)連續工作的系統要多損耗15％的功率。連續工作在1035V下并不意味著(zhù)系統不能可靠地短時(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的溫度監控電路。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

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

加在一個(gè)通信電源系統上的負載實(shí)際上是許多小負載的總和。一些負載是電阻性的，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。如果系統以工作在最高電池浮充電壓下的最大總負載電流（包含電池充電電流）來(lái)確定其容量，那么就會(huì )富余很多的供電容量。

在現代通信系統中越來(lái)越多的設備采用系統內置DC/DC變換器，它可以提供不隨供電電源輸出母線(xiàn)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(xiàn)電壓下降時(shí)輸入電流增加。如果恒功率負載在55V時(shí)消耗1A，那么在40V時(shí)消耗13A。而恒電阻負載在55V時(shí)消耗1A，在40V時(shí)只消耗07A。仔細地分析在整個(gè)工作電壓范圍內所有負載的實(shí)際情況就會(huì )知道，是否可以通過(guò)一種不同于傳統的恒電流的限流特性來(lái)優(yōu)化系統。