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方案的重要影響。
關鍵詞:冷卻 電壓 溫度 限流 連接性
整流模塊是電源系統的心臟。選的模塊不正確，很難提供最優的電源系統配置。本文研究了與模塊有關的因素以及模塊的運行環境，并從邏輯上提供選擇通信電源系統整流模塊的方法。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 風冷和自冷
自冷就是自然冷卻，風冷是指用風扇冷卻。在同樣功率、同等條件下，風冷和自冷模塊的最大區別在外形大小及成本高低上。國外大的電信公司傳統上選擇自然冷卻，這樣可得到很長的產品壽命，降低維護成本。
風冷模塊在成本和尺寸上的優勢可以抵消它的缺點（如噪音、灰塵、風扇壽命和可靠性）。風冷模塊的冷卻與外殼設計無關，而自然冷卻系統對外殼要求較高；另外，風冷產品的關鍵半導體器件比自冷系統溫升更低，因而更可靠。
1.2 外部系統冷卻
外部系統冷卻是指由系統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，而且避免了模塊內裝風扇帶來的一些缺點。這給ＯＥＭ應用中把電源系統集成到整個通信系統中去的供應商帶來顯著益處。比如：系統機架上的冷卻裝置可以多功能應用，不僅給電源系統提供空氣流，也給其他部分的通信系統冷卻；一個系統中只有一個中央冷卻裝置要維護，而不是每一個系統組成部分的風扇都要維護；系統風扇故障后電源仍能輸出能量（約為滿載時的60％）。
1.3 輔助風冷
輔助風冷指模塊的冷卻由間隔運行的風扇提供。如果溫度過高或持續輸出大電流，風扇就會運轉。采用這種方式可以獲得很高的系統集成度，但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，就會產生告警信號。采用輔助風冷的好處有：
（1）在不更換的情況下，風扇間隔運轉使得系統設計壽命比模塊內強制風冷要長。
（2）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。
（3）由于風扇間隔運行，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％）。現在在某些領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。
為了滿足國際上規定的對輸入諧波的要求，產生了具有110Ｖ輸入功率因素校正電路的整流模塊，從而使產品具有全球通用輸入電壓范圍。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。
如果系統工作在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％。要求系統在85Ｖ以上能連續工作的系統將比在103.5Ｖ時連續工作的系統要多散失15％的功率。
3 限流特性
通常電源系統在整個電壓輸出范圍內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，這一傳統方式并不理想。仔細考慮負載的所有真實特性可以使系統得到優化。
加在一個通信電源系統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的變化而吸入變化的充電電流。如果系統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。
在現代通信系統中越來越多的設備采用系統內置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的恒電流的限流特性來優化系統。下面舉例說明。
假設：
Ｉｄ＝40Ｖ時ＤＣ／ＤＣ最大的輸入電流
Ｉｒ＝55Ｖ時最大電阻性電流
Ｉｂ＝恒定的電池充電電流
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：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：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，節省了17％還多。
在例2中，在整個工作電壓范圍內，電流隨著電壓的下降而降得很少，所以適合于整流模塊內具有恒電流特性的電路。
顯示出一個經過優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
通信設備的運行溫度范圍是非常重要的參數。一些設備要求工作在室溫下，而另一些設備要求工作在很寬的溫度范圍內（如－40℃～＋65℃）。如果實際要求電源系統工作在寬溫度范圍內，為達到這一目的和最大限度減少成本，應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，這時系統應能滿足所有參數要求。如果有些性能可以降低要求，成本將顯著降低。要求電源系統在如此低的溫度下工作往往是因為設備在冷天閑置一段時間后需要可靠地啟動。實際上，系統在啟動一段時間以后由于自身發熱溫度會上升。
4.2 高溫時
如果要求高溫環境下工作，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電源系統的初期設計階段，負載要求電源在電壓控制模式下運行；只有運行出現故障時才需要限流。當電池處于高度充電狀態時，整流模塊的輸出需在控制電壓下完成；但當電池剛開始充電時，模塊需在限流狀態下持續運行一定的時間。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境溫度條件下其功率容量不會超出設計值。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。
在實際應用中，通常的工作環境溫度會因氣候的變化和系統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境溫度條件下持續運行相當長時間。如果模塊限制的溫度控制適當，就能在大多數運行情況下，只對模塊在最高環境溫度時的容量作限制，使電源系統的功率最大化（特別是當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境溫度下能在正常的功率范圍內安全運行，可在模塊內安裝適合的溫度管理和監控系統，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，這樣可以盡可能發揮它的優勢。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供電，但實際應用時，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“輸出正常”或“模塊失效”信號就夠了，但有時必須提供很復雜的信號，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。
一個使電源系統簡化的新功能是整流器內置低壓斷開裝置。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的系統，在每個模塊內置低壓斷開裝置很不實際，這時選用系統解決辦法更合適。對于較小的系統即2個模塊并聯（1＋1），每個模塊都內置一個低壓斷開裝置很理想。
6 連接性
整流模塊和系統需要連接的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成本更高，但如把安裝和維修成本考慮在內，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以確保系統的穩定性。
模塊連接性的選擇在很大程度上需根據實際應用和地點而定。如果使用地點很遠，安裝和維修需要技術性很強的人員，這種情況最好選用熱插拔模塊。如果在技術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，影響優化選擇通信電源系統整流模塊的因素很多，要優化配置一個系統，就必須全面了解整個系統。
