如何为通信电源系统选择整流模块

如何为通信电源系统选择整流模块 1引言 为一个通信电源系统选择整流模块要考虑很多因素。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，这种选择方式将是不可取的。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，使得选择电源方案的条件更加苛刻。为每一个应用场合提供最优方案是必要的，但是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件来配置系统。 整流模块是电源系统的心脏，选的模块不正确，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以及模块的运行环境，并从逻辑上提供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200W～6kW的整流模块。但许多思路可应用在其它电源上。 2冷却方式—风冷和自冷的选择 一个系统的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。西方大的电信公司传统上选择自然冷却，这样可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它的缺点所抵消（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自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。如果风冷整流模块设计成具有风扇性能监测、现场易于更换风扇的特性，则允许系统以低成本获得高可靠性。20多年以来对整流模块既要经济、又要长寿命的设计要求是风冷产品得以生存的条件。 除了上面提到的风冷和自冷技术外，另外两种技术也越来越流行：外部系统冷却和辅助冷却。 2?1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。这种方法可以得到高功率密度，而且避免了模块电源内装风扇带来的一些缺点。这给OEM应用中把电源系统集成到整个通信系统中去的供应商带来显着益处。比如： 中央冷却装置，不仅给电源系统提供空气流，也冷却其它部分的通信系统。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％）。 2?2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。如果风扇工作不正常，就会发出报警信号。该方法的好处有： 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。 如果考虑冗余和电池充电，在正常情况下模块内的风扇不转。 由于风扇间断运行，灰尘和噪音问题也大大缓解。 以下举例说明如何配置系统： 整流模块： 自然冷却时的容量30A 辅助风冷时的容量50A 负载： 最大负载110A 电池充电电流30A 总电流140A 要求采用N＋1冗余备份。 要支持140A的输出容量必须选3个整流模块和1个冗余备用模块。如果4个模块都工作（实际应用正是如此）而且电池充满了电，每个模块的最大负载电流只有110/4=27.5A，低于模块自冷额定容量。此时风扇不转。在停电后对电池充电时，或一个模块发生故障时，系统仍将满足要求，但风扇开始运转。在典型的系统中，风扇运转时间的比例是非常低的，这大大地延长了产品寿命。而且，根据以上实例，某一模块的风扇故障后系统容量只降低10％（从4×50A降到3×50A＋30A）。假如采用强制风冷模块，系统容量将降低25％。 表1给出了各种冷却方式下的典型功率密度。 表1各种冷却方式下的典型功率密度＊ [table]

冷却方式 [td]相对功率密度

自然冷却 [td]1.00

强制风冷 [td]2到2?5

系统风冷 [td]1?5到2

辅助风冷 [td]1?3到1?7[/tr][/tr][/tr][/tr][/tr]

＊假定所有运行环境具有可比性。
  3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为216V～264V（即240V±10％）。现在趋向采用适合于全世界的通用电压范围：85V～264V(或更宽）。在实际应用中两个极端值（85V和264V）都不是最合适的。
  为了满足国际上规定的对输入谐波的要求，开发了具有110V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。
  对于可移动设备市场或全球性使用设备市场而言，选择带功率因数校正的、通用输入的模块无疑是正确的，但对于固定安装来说，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完全的性能将会给整流模块带来成本和尺寸上的显着增加。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时的两倍。
  显然，有时必须在宽电压范围内提供完全的性能。但是在某些场合，当输入电压低于某一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，从而显着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（115V－10％）时的损耗与运行在85V时的损耗相差15％。要求在85V以上能连续工作的系统将比在103?5V时连续工作的系统要多损耗15％的功率。连续工作在103?5V下并不意味着系统不能可靠地短时间工作在很低的电压下。对此的精确控制将取决于模块内的温度监控电路。图1给出了典型的功率损耗与输入电压之间的关系。
  
  图1具有全球通用输入电压的模块的典型功率损耗
  4限流特性
  通常电源系统在整个电压输出范围内具有恒流特性，在短路时输出电压、电流以折线或直线下降。这一传统方式并不理想。仔细考虑负载的所有真实特性可以使系统得到优化。
  加在一个通信电源系统上的负载实际上是许多小负载的总和。一些负载是电阻性的，一些是恒电流性的，一些是恒功率性的，电池组也会因充电状态的变化而使充电电流变化。如果系统以工作在最高电池浮充电压下的最大总负载电流（包含电池充电电流）来确定其容量，那么就会富余很多的供电容量。
  在现代通信系统中越来越多的设备采用系统内置DC/DC变换器，它可以提供不随供电电源输出母线电压变化而变化的恒定直流电压。这种恒功率特性要求在母线电压下降时输入电流增加。如果恒功率负载在55V时消耗1A，那么在40V时消耗1?3A。而恒电阻负载在55V时消耗1A，在40V时只消耗0?7A。仔细地分析在整个工作电压范围内所有负载的实际情况就会知道，是否可以通过一种不同于传统的恒电流的限流特性来优化系统。
  以下方法可用来确定是否采用优化的特性曲线。假设：
  Id—40V时的DC/DC最大的输入电流
  Ir—55V时最大电阻性电流
  Ib—恒定的电池充电电流
  It—总负载电流
  那么在55V时：
  It=Id×40/55＋Ir＋Ib
  在40V时：
  It=Id＋Ir×40/55＋Ib
  假定正常浮充电压为55V，最低电池电压为40V。
  例1
  设：Id=100A，Ir=20A，Ib=10A
  在55V时：
  It=(100×40/55)＋20＋10=102.7A
  等于5?64kW的功率。
  在40V时：
  It=100＋(20×40/55)＋10=124.5A
  这等于4?98kW的功率。
  例2
  设：Id=50A，Ir=70A，Ib=10A
  在55V时：
  It=(50×40/55)＋70＋10=116.4A
  等于6.4kW的功率。
  在40V时：
  It=50＋(70×40/55)＋10=110.9A
  这等于4?44kW的功率。
  在例1中，如果在模块内采用部分恒功率特性电路，可以把最大功率从6?85kW(124.5×55)缩减到5.64kW，节省了17％还多。
  在例2中，在整个工作电压范围内，电流随着电压的下降而降得很少，所以适合于整流模块内具有恒电流特性的电路。
  现代开关式拓扑技术可以轻易地做到根据总负载要求来确定输出特性，使得在一定的负载组合下减小总的安装功率也能满足要求。
  图2显示出一个经过优化的输出限流特性曲线的模块，它满足例1的要求。
  
  图2 优化输出限流特性曲线
  图中A—传统恒电流限流特性
  B—部分恒功率限流特性
  C—带恒功率负载
  图中A和B之间的三角区域等效减小了约17％的功率。
  5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，而另一些设备要求工作在很宽的温度范围内（如－40℃至＋65℃）。正如第1节所说，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。为达到这一目的和最大限度减少成本，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，系统就可以越经济。
  一些设备要求在很低温度下运行时性能不能打一点折扣。这时系统应能满足所有参数要求。如果有些特性可以降低要求，成本将显着降低。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一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用的。
  如果要求高温环境下工作，一般电源在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，整流模块的输出需在恒压下运行。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（即温度升高额定输出功率降低），必须同时减小限流点（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，通常的工作环境温度会因气候的变化和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控制适当，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温度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接受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小要求，就可以判断是否可以采用这一功能。例如：
  ?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？
  ?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？
  ?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，那会带来非常显着的益处。
  这一特征也可和以上提到过的部分恒功率特性组合起来，这样就可以尽可能发挥它的优势。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最小输入电压工作时能提供更大的电流容量。
  6增加的功能和信号
  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号，不需要对电源的核心作变动。
  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。这同时也使模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，也减少了对劳动力的需要。
  在整流模块中越来越普遍使用的信号是：
  ?输出电流信号
  ?限流可编程
  ?强制均流
  ?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。如果是大量模块并联的系统，在每个模块内置低压断开装置很不实际；这时选用系统解决办法更合适。在较小的系统即2个模块并联（1＋1)，每个模块都内置一个低压断开装置很理想。这会使系统特别简易，只有两个整流器，一个电池和一个电池保险。图3是系统框图。
  以上就是各种信号和特征的介绍。很显然，对应用案例仔细考虑就可以降低系统中使用模块的成本。
  
  图3二个模块并联系统框图
  7连接性
  整流模块和系统的连接方式对制造厂商的成本有很大的影响。需要连接的三个端口是交流输入，直流输出和报警信号。
  简单的模块具有连接电源输入输出的螺栓连接和一个简单的多针信号连接器，但这种连接越来越不受欢迎，因为安装和更换相对比较困难。
  当今流行的趋势是“热插拔”模块，它们可自动和交流电源、直流汇流条、各报警监控电路连接，因为模块可以滑进自身的支撑架里。安装和拆卸根本不需要任何技能。带“热插拔”连接的整流器比一般螺钉连接的生产成本更高，但如把安装和维修成本考虑在内，就会便宜了。
  还有一些整流模块采用介于以上两种方式之间的连接方法。有一种带输入连接器，输出连接器和信号连接器的模块，因为它在机架安装时，不是自动实现连接，但仍可以称为“热替换”，它在安装和替换时要求掌握更高的技术以确保系统的稳定性。
  模块连接性的正确选择很大程度上根据实际应用和地点而定。如果使用地点很远，安装和维修需要技术性很强的人员，这种情况最好选用热插拔模块。如果在技术人员随时可到的地点使用，那么低成本的连接器更实用。
  8结语
  许多相互关联的因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，最大高达2?5倍。
  有些模块初看起来应选用自然冷却方式，在应用中使用风扇冷却也可行。
  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。
  如果部分恒功率限流特性应用于一定的负载类型，整流器的最大功率可有20％的偏差。
  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。
  整流模块内的增强功能很大程度上简化了电源系统，而且模块提供的正确信号技术将确保系统的简易维修。
  热插拔整流器初看起来价格昂贵，但如果生产厂商从总成本来考虑，实际上会更便宜。
  总而言之，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。