美國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、輸出限流特性和運行溫度范圍等多種因素對選擇電源系統(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
一個系統(tǒng)的冷卻方式對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。國外大的電信公司傳統(tǒng)上選擇自然冷卻，這樣可得到很長的產(chǎn)品壽命，降低維護成本。
風(fēng)冷模塊在成本和尺寸上的優(yōu)勢可以抵消它的缺點（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)計無關(guān)，而自然冷卻系統(tǒng)對外殼要求較高；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)機架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，而且避免了模塊內(nèi)裝風(fēng)扇帶來的一些缺點。這給ＯＥＭ應(yīng)用中把電源系統(tǒng)集成到整個通信系統(tǒng)中去的供應(yīng)商帶來顯著益處。比如：系統(tǒng)機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；一個系統(tǒng)中只有一個中央冷卻裝置要維護，而不是每一個系統(tǒng)組成部分的風(fēng)扇都要維護；系統(tǒng)風(fēng)扇故障后電源仍能輸出能量（約為滿載時的60％）。
1.3 輔助風(fēng)冷
輔助風(fēng)冷指模塊的冷卻由間隔運行的風(fēng)扇提供。如果溫度過高或持續(xù)輸出大電流，風(fēng)扇就會運轉(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)扇運轉(zhuǎn)并定期檢測其性能。如果風(fēng)扇工作不正常，就會產(chǎn)生告警信號。采用輔助風(fēng)冷的好處有：
（1）在不更換的情況下，風(fēng)扇間隔運轉(zhuǎn)使得系統(tǒng)設(shè)計壽命比模塊內(nèi)強制風(fēng)冷要長。
（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)扇間隔運行，灰塵和噪音問題也大大緩減。
2 輸入電壓
為特定的應(yīng)用場合選擇正確的輸入電壓范圍變得越來越重要。在英國，過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）。在實際應(yīng)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，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。對于可移動設(shè)備市場或全球性使用設(shè)備市場而言，選擇帶功率因素校正的通用輸入模塊無疑是正確的，但對于固定安裝來說，仔細選擇輸入范圍會有很大好處。在寬電壓范圍內(nèi)要提供完全的性能會使整流模塊的成本和尺寸增加，也會影響系統(tǒng)冷卻。實際應(yīng)用中整流模塊工作在85Ｖ輸入電壓時的損耗是230Ｖ時的兩倍。
如果系統(tǒng)工作在115Ｖ額定輸入電壓下，那么運行在103.5Ｖ（115Ｖ－10％）時的損耗與運行在85Ｖ時的損耗相差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)在整個電壓輸出范圍內(nèi)具有恒定值限流特性，短路時輸出電壓和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(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1.3Ａ；而恒電阻負載在55Ｖ時消耗1Ａ，在40Ｖ時只消耗0.7Ａ。仔細地分析在整個工作電壓范圍內(nèi)所有負載的真正情況就會知道，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)。下面舉例說明。
假設(shè)：
Ｉｄ＝40Ｖ時ＤＣ／ＤＣ最大的輸入電流
�。桑颍�55Ｖ時最大電阻性電流
�。桑猓胶愣ǖ碾姵爻潆婋娏�
Ｉｔ＝總負載電流
那么在55Ｖ時：Ｉｔ＝Ｉｄ×40／55＋Ｉｒ＋Ｉｂ
在40Ｖ時：Ｉｔ＝Ｉｄ＋Ｉｒ×40／55＋Ｉｂ
假定正常浮充電壓為55Ｖ，最低電池電壓為40Ｖ。
請看以下兩個例子。
例1 設(shè)：Ｉｄ＝100Ａ，Ｉｒ＝20Ａ，Ｉｂ＝10Ａ
在55Ｖ時：Ｉｔ＝（100×40／55）＋20＋10＝102.7Ａ，則功率為5.64ｋＷ。 在40Ｖ時：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：Ｉｔ＝（50×40／55）＋70＋10＝116.4Ａ，則功率為6.4ｋＷ。
在40Ｖ時：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。
顯示出一個經(jīng)過優(yōu)化的輸出限流特性曲線的模塊，它滿足例1的要求。
4 溫度范圍
通信設(shè)備的運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℃）。如果實際要求電源系統(tǒng)工作在寬溫度范圍內(nèi)，為達到這一目的和最大限度減少成本，應(yīng)仔細估算在兩個極端溫度點處是否需要達到完全的性能指標。
4.1 低溫時
一些設(shè)備要求在很低溫度下運行時性能不能打一點折扣，這時系統(tǒng)應(yīng)能滿足所有參數(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為設(shè)備在冷天閑置一段時間后需要可靠地啟動。實際上，系統(tǒng)在啟動一段時間以后由于自身發(fā)熱溫度會上升。
4.2 高溫時
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其功率額定值會降低，在溫升20℃時，輸出功率減少30％。
這種對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)計階段，負載要求電源在電壓控制模式下運行；只有運行出現(xiàn)故障時才需要限流。當(dāng)電池處于高度充電狀態(tài)時，整流模塊的輸出需在控制電壓下完成；但當(dāng)電池剛開始充電時，模塊需在限流狀態(tài)下持續(xù)運行一定的時間。如果采用溫度降額(即溫度升高額定輸出功率降低)，必須同時減小限流點(保證在限流時安全運行）以確保模塊在最差的環(huán)境溫度條件下其功率容量不會超出設(shè)計值。實際上要在高溫下運行，整流模塊的限流點比在較低溫度條件下運行時的限流點更低。
在實際應(yīng)用中，通常的工作環(huán)境溫度會因氣候的變化和系統(tǒng)的運行條件的變化而變化。整流模塊一般不會在其指定的最高環(huán)境溫度條件下持續(xù)運行相當(dāng)長時間。如果模塊限制的溫度控制適當(dāng)，就能在大多數(shù)運行情況下，只對模塊在最高環(huán)境溫度時的容量作限制，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）。如果要限制模塊的輸出容量以滿足在最高環(huán)境溫度下能在正常的功率范圍內(nèi)安全運行，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提供更大的功率。
這一特征也可和上面提到過的部分恒功率特性組合起來，這樣可以盡可能發(fā)揮它的優(yōu)勢。同時要注意的是，在高溫時，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)在標稱電壓左右工作時比在最小輸入電壓工作時能提供更大的電流容量。
5 增加的功能和信號
最簡單的整流模塊僅僅是給通信系統(tǒng)供電，但實際應(yīng)用時，往往需要模塊能提供更多的告警信號或輔助功能。
有時模塊只提供一路“輸出正�！被颉澳K失效”信號就夠了，但有時必須提供很復(fù)雜的信號，并在模塊上顯示出來。
帶智能信號的模塊已越來越受歡迎，這使終端用戶更容易編程控制，同時也使模塊更容易適應(yīng)不同用戶的要求。在整流模塊中越來越普遍使用的信號是：輸出電流信號、限流可編程、強制均流、電池溫度補償。
一個使電源系統(tǒng)簡化的新功能是整流器內(nèi)置低壓斷開裝置。這一功能會在市電斷電一段時間后電池電壓低于閾值時發(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)，在每個模塊內(nèi)置低壓斷開裝置很不實際，這時選用系統(tǒng)解決辦法更合適。對于較小的系統(tǒng)即2個模塊并聯(lián)（1＋1），每個模塊都內(nèi)置一個低壓斷開裝置很理想。
6 連接性
整流模塊和系統(tǒng)需要連接的3個端口是交流輸入、直流輸出和告警信號。
簡單的模塊具有連接電源輸入輸出的螺栓和一個簡單的多針信號連接器，但這種連接越來越不受歡迎，因為安裝和更換相對比較困難。
當(dāng)今流行的趨勢是“熱插拔”模塊，它們可自動和交流電源、直流匯流條和各告警監(jiān)控電路連接，因為模塊可以滑進自身的支撐架里。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、輸出連接器和信號連接器的模塊。它在機架安裝時，雖然不是自動實現(xiàn)連接，但仍可以稱為“熱替換”，它在安裝和替換時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)實際應(yīng)用和地點而定。如果使用地點很遠，安裝和維修需要技術(shù)性很強的人員，這種情況最好選用熱插拔模塊。如果在技術(shù)人員隨時可到的地點使用，那么低成本的連接器更實用。
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)化配置一個系統(tǒng)，就必須全面了解整個系統(tǒng)。
