美國(guó)ＡＰＣ公司 阿蘭·高比(英)
摘 要:研究了模塊冷卻方式、輸入電壓范圍、輸出限流特性和運(yùn)行溫度范圍等多種因素對(duì)選擇電源系統(tǒng)方案的重要影響。
關(guān)鍵詞:冷卻 電壓 溫度 限流 連接性
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。
1 冷卻方式
一個(gè)系統(tǒng)的冷卻方式對(duì)整流模塊的選擇有非常大的影響。目前主要有以下幾種方式。
1.1 風(fēng)冷和自冷
自冷就是自然冷卻，風(fēng)冷是指用風(fēng)扇冷卻。在同樣功率、同等條件下，風(fēng)冷和自冷模塊的最大區(qū)別在外形大小及成本高低上。國(guó)外大的電信公司傳統(tǒng)上選擇自然冷卻，這樣可得到很長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命，降低維護(hù)成本。
風(fēng)冷模塊在成本和尺寸上的優(yōu)勢(shì)可以抵消它的缺點(diǎn)（如噪音、灰塵、風(fēng)扇壽命和可靠性）。風(fēng)冷模塊的冷卻與外殼設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，而自然冷卻系統(tǒng)對(duì)外殼要求較高；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。
1.2 外部系統(tǒng)冷卻
外部系統(tǒng)冷卻是指由系統(tǒng)機(jī)架提供空氣流對(duì)整流模塊進(jìn)行冷卻。這種方法可以得到高功率密度，而且避免了模塊內(nèi)裝風(fēng)扇帶來(lái)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(lái)顯著益處。比如：系統(tǒng)機(jī)架上的冷卻裝置可以多功能應(yīng)用，不僅給電源系統(tǒng)提供空氣流，也給其他部分的通信系統(tǒng)冷卻；一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)中央冷卻裝置要維護(hù)，而不是每一個(gè)系統(tǒng)組成部分的風(fēng)扇都要維護(hù)；系統(tǒng)風(fēng)扇故障后電源仍能輸出能量（約為滿(mǎn)載時(shí)的60％）。
1.3 輔助風(fēng)冷
輔助風(fēng)冷指模塊的冷卻由間隔運(yùn)行的風(fēng)扇提供。如果溫度過(guò)高或持續(xù)輸出大電流，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，但要經(jīng)常讓風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)并定期檢測(cè)其性能。如果風(fēng)扇工作不正常，就會(huì)產(chǎn)生告警信號(hào)。采用輔助風(fēng)冷的好處有：
（1）在不更換的情況下，風(fēng)扇間隔運(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(zhǎng)。
（2）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)。
（3）由于風(fēng)扇間隔運(yùn)行，灰塵和噪音問(wèn)題也大大緩減。
2 輸入電壓
為特定的應(yīng)用場(chǎng)合選擇正確的輸入電壓范圍變得越來(lái)越重要。在英國(guó)，過(guò)去通常定義輸入電壓范圍為216～264Ｖ （即240Ｖ±10％）。現(xiàn)在在某些領(lǐng)域正趨向采用適合于全世界通用的電壓范圍：85～264Ｖ（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(mǎn)足國(guó)際上規(guī)定的對(duì)輸入諧波的要求，產(chǎn)生了具有110Ｖ輸入功率因素校正電路的整流模塊，從而使產(chǎn)品具有全球通用輸入電壓范圍。對(duì)于可移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)或全球性使用設(shè)備市場(chǎng)而言，選擇帶功率因素校正的通用輸入模塊無(wú)疑是正確的，但對(duì)于固定安裝來(lái)說(shuō)，仔細(xì)選擇輸入范圍會(huì)有很大好處。在寬電壓范圍內(nèi)要提供完全的性能會(huì)使整流模塊的成本和尺寸增加，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。
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％。要求系統(tǒng)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)要多散失15％的功率。
3 限流特性
通常電源系統(tǒng)在整個(gè)電壓輸出范圍內(nèi)具有恒定值限流特性，短路時(shí)輸出電壓和電流以折線(xiàn)或直線(xiàn)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)的變化而吸入變化的充電電流。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(lái)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(lái)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(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(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)載的真正情況就會(huì)知道，是否可以通過(guò)一種不同于傳統(tǒng)的恒電流的限流特性來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)。下面舉例說(shuō)明。
假設(shè)：
Ｉｄ＝40Ｖ時(shí)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＋Ｉｒ＋Ｉｂ
在40Ｖ時(shí)：Ｉｔ＝Ｉｄ＋Ｉｒ×40／55＋Ｉｂ
假定正常浮充電壓為55Ｖ，最低電池電壓為40Ｖ。
請(qǐng)看以下兩個(gè)例子。
例1 設(shè)：Ｉｄ＝100Ａ，Ｉｒ＝20Ａ，Ｉｂ＝10Ａ
在55Ｖ時(shí)：Ｉｔ＝（100×40／55）＋20＋10＝102.7Ａ，則功率為5.64ｋＷ。 在40Ｖ時(shí)：Ｉｔ＝100＋（20×40／55）＋10＝124.5Ａ，則功率為4.98ｋＷ。
例2 設(shè)：Ｉｄ＝50Ａ，Ｉｒ＝70Ａ，Ｉｂ＝10Ａ
在55Ｖ時(shí)：Ｉｔ＝（50×40／55）＋70＋10＝116.4Ａ，則功率為6.4ｋＷ。
在40Ｖ時(shí)：Ｉｔ＝50＋（70×40／55）＋10＝110.9Ａ，則功率為4.44ｋＷ。
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。
顯示出一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的輸出限流特性曲線(xiàn)的模塊，它滿(mǎn)足例1的要求。
4 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℃～＋65℃）。如果實(shí)際要求電源系統(tǒng)工作在寬溫度范圍內(nèi)，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)。
4.1 低溫時(shí)
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(mǎn)足所有參數(shù)要求。如果有些性能可以降低要求，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)間后需要可靠地啟動(dòng)。實(shí)際上，系統(tǒng)在啟動(dòng)一段時(shí)間以后由于自身發(fā)熱溫度會(huì)上升。
4.2 高溫時(shí)
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，在溫升20℃時(shí)，輸出功率減少30％。
這種對(duì)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控制電壓下完成；但當(dāng)電池剛開(kāi)始充電時(shí)，模塊需在限流狀態(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(zhǎng)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(duì)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額定范圍低端時(shí)）。如果要限制模塊的輸出容量以滿(mǎn)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)安裝適合的溫度管理和監(jiān)控系統(tǒng)，在較低溫的條件下可自動(dòng)提供更大的功率。
這一特征也可和上面提到過(guò)的部分恒功率特性組合起來(lái)，這樣可以盡可能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。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(chēng)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。
5 增加的功能和信號(hào)
最簡(jiǎn)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)，往往需要模塊能提供更多的告警信號(hào)或輔助功能。
有時(shí)模塊只提供一路“輸出正常”或“模塊失效”信號(hào)就夠了，但有時(shí)必須提供很復(fù)雜的信號(hào)，并在模塊上顯示出來(lái)。
帶智能信號(hào)的模塊已越來(lái)越受歡迎，這使終端用戶(hù)更容易編程控制，同時(shí)也使模塊更容易適應(yīng)不同用戶(hù)的要求。在整流模塊中越來(lái)越普遍使用的信號(hào)是：輸出電流信號(hào)、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(jiǎn)化的新功能是整流器內(nèi)置低壓斷開(kāi)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(kāi)裝置很不實(shí)際，這時(shí)選用系統(tǒng)解決辦法更合適。對(duì)于較小的系統(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(kāi)裝置很理想。
6 連接性
整流模塊和系統(tǒng)需要連接的3個(gè)端口是交流輸入、直流輸出和告警信號(hào)。
簡(jiǎn)單的模塊具有連接電源輸入輸出的螺栓和一個(gè)簡(jiǎn)單的多針信號(hào)連接器，但這種連接越來(lái)越不受歡迎，因?yàn)榘惭b和更換相對(duì)比較困難。
當(dāng)今流行的趨勢(shì)是“熱插拔”模塊，它們可自動(dòng)和交流電源、直流匯流條和各告警監(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整流模塊之間的連接方法。有一種帶輸入連接器、輸出連接器和信號(hào)連接器的模塊。它在機(jī)架安裝時(shí)，雖然不是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)連接，但仍可以稱(chēng)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。
模塊連接性的選擇在很大程度上需根據(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。
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，要優(yōu)化配置一個(gè)系統(tǒng)，就必須全面了解整個(gè)系統(tǒng)。
