如何為通信電源系統(tǒng)選擇整流模塊

1引言

為一個通信電源系統(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)化一個電源供電方案，有必要仔細考察許多相關因素，包括產品性能與價格問題，這樣才能以最經濟的方式滿足最終用戶的要求。

各國在法律上不斷對產品的安全性和EMC提出新的要求，使得選擇電源方案的條件更加苛刻。為每一個應用場合提供最優(yōu)方案是必要的，但是為此從頭開始設計每一個系統(tǒng)卻是不可行的?？尚械氖鞘褂脴藴式M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(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。但許多思路可應用在其它電源上。

2冷卻方式—風冷和自冷的選擇

一個系統(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），有些則可以接受風扇冷卻（簡稱風冷）。在同樣功率、同等條件下，風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品壽命，明顯低的維護成本，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。

風冷模塊在成本和尺寸上的優(yōu)勢被它的缺點所抵消（如噪音，灰塵，風扇壽命和可靠性），但實際上這些缺點并不是最首要考慮的問題。一個外殼設計得很糟糕的自冷模塊的可靠性比采用風冷的模塊要低得多，因為風冷模塊的冷卻與外殼設計無關。另外，風冷產品的關鍵——半導體器件比自冷系統(tǒng)溫升更低，因而更可靠。

要求設計壽命超過7年時，傳統(tǒng)上不采用風扇。但是，如果允許定期更換風扇，就有可能得到設計壽命更長的風冷系統(tǒng)。如果風冷整流模塊設計成具有風扇性能監(jiān)測、現(xiàn)場易于更換風扇的特性，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濟、又要長壽命的設計要求是風冷產品得以生存的條件。

除了上面提到的風冷和自冷技術外，另外兩種技術也越來越流行：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扇帶來的一些缺點。這給OEM應用中把電源系統(tǒng)集成到整個通信系統(tǒng)中去的供應商帶來顯著益處。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)。一個系統(tǒng)中只有一個中央冷卻裝置需要維護，當中央冷卻裝置發(fā)生故障時電源仍能輸出能量（約為滿載時的60％）。

22輔助風冷

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

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

如果考慮冗余和電池充電，在正常情況下模塊內的風扇不轉。

由于風扇間斷運行，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：

自然冷卻時的容量30A

輔助風冷時的容量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個整流模塊和1個冗余備用模塊。如果4個模塊都工作（實際應用正是如此）而且電池充滿了電，每個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。此時風扇不轉。在停電后對電池充電時，或一個模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍將滿足要求，但風扇開始運轉。在典型的系統(tǒng)中，風扇運轉時間的比例是非常低的，這大大地延長了產品壽命。而且，根據以上實例，某一模塊的風扇故障后系統(tǒng)容量只降低10％（從4×50A降到3×50A＋30A）。假如采用強制風冷模塊，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）。在實際應用中兩個極端值（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，從而使產品具有全球通用的輸入電壓范圍。

對于可移動設備市場或全球性使用設備市場而言，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，仔細選擇輸入電壓范圍會有很大好處。在寬電壓范圍內要提供完全的性能將會給整流模塊帶來成本和尺寸上的顯著增加。這也會影響系統(tǒng)冷卻。實際應用中整流模塊工作在85V輸入電壓時的損耗是230V時的兩倍。

顯然，有時必須在寬電壓范圍內提供完全的性能。但是在某些場合，當輸入電壓低于某一閾值時只要求在短時間內提供完全性能，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，那么運行在1035V（115V－10％）時的損耗與運行在85V時的損耗相差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(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)在整個電壓輸出范圍內具有恒流特性，在短路時輸出電壓、電流以折線或直線下降。這一傳統(tǒng)方式并不理想。仔細考慮負載的所有真實特性可以使系統(tǒng)得到優(yōu)化。

加在一個通信電源系統(tǒng)上的負載實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載電流（包含電池充電電流）來確定其容量，那么就會富余很多的供電容量。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中越來越多的設備采用系統(tǒng)內置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輸入電流增加。如果恒功率負載在55V時消耗1A，那么在40V時消耗13A。而恒電阻負載在55V時消耗1A，在40V時只消耗07A。仔細地分析在整個工作電壓范圍內所有負載的實際情況就會知道，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)。