如何为通信电源系统选择整流模块

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如何为通信电源系统选择整流模块


摘要：为通信电源系统选择整流模块要考虑很多因素。随着通信市场竞争的日益激烈，有必要选择最优的电源方案来满足市场需要。仔细评估了所有运行要求，例如模块冷却方式，输入电压范围，运行温度范围等多种因素对选择电源系统方案的重要影响。
关键词：通信电源；整流模块：通信系统
中图分类号：TN492 文献标识码：D 文章编号：0219—2713(2005)06 0055-03
0 引言
    过去，大的垄断性的电信公司常常选择冗余量很大的系统方案。但是，随着全球性市场竞争的日趋激烈，这种选择方式是不可取的。为了优化一个电源供电方案，有必要仔细考察许多相关因素，包括产品性能与价格问题，这样才能以最经济的方式满足最终用户的要求。
    各国在法律上不断对产品的安全性和EMC提出新的要求，使得对电源的要求更加苛刻。因此，为用户提供最优方案是必要的，但足，为此从头开始设计每一个系统却是不可行的。可行的是使用标准组什来配置系统。
    整流模块是电源的心脏，模块选择不当，则很难提供最优的电源系统配置。本文研究了与模块有关的许多因素，并提供了选择通信电源系统整流模块的方法。本文涉及范围仅限于单相O.2—6kW的整流模块。但许多思路可应用在其他电源上。

l 冷却方式
l.l风冷和自冷的选择
    冷却方式对整流模块的选择有非常大的影响。有些系统要求自然冷却(简称自冷)．有些则可以接受风扇冷却(简称风冷)。在同样功率、同等条件下，风冷和自冷模块的最大区别在于外形大小及成本多少。大的西方电信公司传统卜选择自然冷却，这样叫得到较长的产品寿命，明显低的维护成本，电源的初始成本也不象现在这么贵(现在自冷的模块很贵)。这样，选择冗余量很大的系统方案也可以接受，它可以更加安全地供电。
    风冷模块在成本和尺寸上的优势被他的缺点所抵消(如噪音、灰尘、风扇寿命和可靠性)，但实际上，这些缺点并不是最首要考虑的问题。一个外壳设计得很糟糕的白冷模块的可靠性比采用风冷的模块要低得多，因为风冷模块的冷却与外壳设计无关。另外，风冷产品的关键——半导体器件比自冷系统温升更低，因而更可靠。
    要求设计寿命超过7年时，传统上不采用风扇。但是，如果允许定期更换风扇，就有可能得到设计寿命更长的风冷系统。若风冷整流模块设计成具有风扇性能监测、现场易于更换风扇，则允许系统以低成本获得高可靠性。20多年来对整流模块既要经济、又要长寿命的要求是风冷产品得以生存的条件。
    除了风冷和自冷技术外，另外两种技术即外部系统冷却和辅助冷却也越来越流行。
1.2外部系统冷却
    外部系统冷却是指由中央冷却装置提供空气流对整流模块进行冷却。这可以得到高功率密度，且避免了模块电源内装风扇带来的一微缺点。在0FM应用中把电源系统集成到整个通信系统中去．会给供应商带来显著益处。例如，中央冷却装置不仅给电源系统提供空气流，而且也冷却通信系统的其它部分．一个系统中只有一个中央冷却装置需要维护，当中央冷却装置发生故障时电源
仍能输出能量(约为满载时的60％)
l.3辅助风冷
    辅助风冷是指模块的冷却是由间断运行的风扇提供的。如果温度过高或持续输出大电流时，风扇就会运转。采用这种方式可以获得很高的系统集成度，但需要经常让风扇运转并定期检测其性能。如果风扇工作小正常，就会发出报警信号。该方法的好处如下：
    1)在不更换的情况下，风扇间断运转使得系统设计寿命比模块内强制风冷要长；
    2)如果考虑冗余和电池充电，在正常情况下模块内的风扇不运转；
    3)由于风扇间断运行，灰尘和噪音问题也大大缓解。

2 输入电压范围的选择
    为特定的应用场合选择正确的输入电压范围越来越重要。在英国，过去通常定义输入电压范围在216～264V(即240V的基数卜有±10％的波动)。现在趋向采用适合于全世界的通用电压范围85～264v(或更宽)。在实际应用中两个极端值(85V和264v)都小是最合适的。
    为了满足对网侧谐波的要求，开发了具有l10V输入功率因数校正电路的整流模块，从而使产品具有全球通用的输入电压范围。
    选择带功率因数校正的、通用输入的模块无疑是正确的，但对于同定安装来说，仔细选择输入电压范围会有很大好处。在宽电压范围内要提供安全的性能将会给整流模块带来成本和尺寸上的显著增加。这也会影响系统冷却。实际应用中整流模块工作在85V输入电压时的损耗是230V时的2倍。
    显然，有时必须在宽电压范围内提供完全的性能。但是在某砦场合，当输入电压低于阈值时只要求在短时间内提供完全性能，这样就不需要处理散热问题，从而显著地降低了成本和缩小了体积。
    如果系统工作在115V额定输入电压下，那么运行在103 5v(即l15V—115v×10％)时的损耗与运行在85V时的损耗相差15％。

3 温度范围
    通信设备的运行温度范围是非常重要的参数。一些设备要求工作在室温下，而另些设备要求工作在很宽的温度范围内(如-40℃～+65℃)。仔细考虑温度和散热对于系统的可靠和有效运行非常重要。如果实际要求电源系统工作在宽温度范围内，显然，保证系统中的所有元器件可靠地工作是很必要的。为达到这一目的并最大限度减少成本，应仔细估算在两个极端温度点处是否需要达到完全的性能指标，即在很低的温度下完全达到常温时的系统指标是否必要？在很高的温度时是否有必要提供最大的功率输出?实际上，在极端温度点处对模块的要求越低，系统就可能越经济。
    一些设备在很低的温度F运行时，如果有些特性可以降低要求，成本将显著降低。要求电源系统在如此低的温度下工作，往往是因为设备在冷天闲置段时间后需要可靠地起动。实际上，系统在起动一段时间以后由于自身发热温度会上升。放松在低温时对非关键参数的要求(如输出噪音、辅助特性)对降低模块成本有好处。实际应用中，如果规定模块可以在最低温度下起动和在较高一些温度下完全达到指标地工作是很有好处的。
    如果要求在高温环境下工作，一般电源高于一定温度值时其功率额定值会降低。即在温升20℃时输出功率减少30％。
    这种对输出能力的限制可解释为在传统电源系统的初期设计阶段，负载要求电源在电压控制模式下运行；只有运行出现故障时才需要限流。当电池处于高度充电状态时，整流模块的输出须在恒压下运行；只有运行出现故障时才需要限流。但当电池刚开始充电时，模块需在恒流状态下持续运行一定的时间。如果采用温度降额(即温度升高额定功率降低)，必须同时减少限流点(保证在限流时安全运行)以确保模块在最差的环境温度条件下其功率容量不会超出设计值。实际上要在高温下运行，整流模块的限流点比在较低温度条件下运行时的限流点更低。
    在实际应用中，工作环境温度会因气候及系统的运行条件的变化而变化。整流模块一般不会在其指定的最高环境温度条件下持续运行相当长时间。如果模块限制的温度适当，就能在大多数运行情况下，只对模块在最高环境温度时的容量作限制，使电源系统的功率最大化(特别是当模块的输入电压偏向下限时)。如果要限制模块的输出容量，以满足在最高环境下能在正常的功
率范围内安全运行，可在模块内安装适合的温度监控系统，在较低温的条件下可自动提供更大的功率。
    在具体应用中有可能不允许经常因为温度过高而降额输出，但是如果仔细研究最高温时的最低要求，就可以判断是否可以采用这一功能。例如：
    1)在最高运行温度时是否需要系统提供电池再充电电流？或是否可以接受更长的再充电时间?
    2)在最高环境温度下系统的一些特性能否被抑制以减少最大电流的需要?
    3)在最高环境温度下系统冗余能否消除?
    如果整流模块的温度与限流性能相关联，那会带来非常显著的益处。这一特征可以和部分恒功率特性组合起来，这样就可以尽可能地发挥它的优势。同时要注意的是，在高温时，带温度限流的模块由于输入电压使得功率损耗变化，这样，系统在标称电压左右工作时比在晟低输入电压工作时，能提供更大的电流容量。

4 功能和信号的增加
    最简单的整流模块仅仅是给通信系统供电。但实际应用时，需要模块能提供更多的报警信号或辅助功能。有时模块只提供一路“输出正常”或“模块失效”信号就够了，但有时必须提供很复杂的信号，并在模块上带显示。
    设计灵活的整流模块可根据用户的需要而随意改变和扩充信弓，而不需要时电源的核心作变动。这个办法使只需要简单功能模块的用户不需要花钱购买不必要的性能。
    带智能信号的模块已越来越受欢迎，这使终端用户更容易编程控制。同时也使摸块更容易适应不同用户的要求。智能信号可帮助厂商降低成本，减少维修程序，也减少了刘劳动力的需要。
    在整流模块中越来越普遍使用的信号是
    1)输出电流信号；
    2)限流可编程；
    3)强制均流；
    4)电池温度补偿。
    一个使电源系统简化的新功能是整流器内置低压断开装置。这一功能会在市电断电一段时间后电池电压低于阈值时发挥作用，这就防止了电池的永久性损坏。在较小的系统中，如由2个模块并联的(1+1)系统，每个模块都内置一个低压断开装置便很理想，这会使系统特别简单，只有2个整流器，一个电池和一个电池保险。如果足大量模块并联的系统，在每个模块内置低压断开装置则很不实际，这时选用系统解决办法更合适。

5 结语
    许多相互关联的凶素会影响对通信用整流模块的选择。如果在最坏故障条件下设定整流器的技术指标，系统将具有比实际需要更大的容量。
    冷却方式的选择会影响整流器的物理尺寸，最高达2.5倍．
    模块内的功耗会随着输入电压的下降而明显增加，因此，优化配置系统时认真设定输入电压的技术指标非常重要。
    灵活分析限流特性温度以确保在高温条件下提供足够的容量。
    整流模块内的功能增强在很大程度上简化了电源系统，并使系统维修简易。
    总之，影响优化选择通信电源系统整流模块的因素很多(比文中提到的更多)。要优化配置一个电源，就必须全面了解整个系统。

李小路

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