通信电源介绍

1、第一章 通信电源综述1.1 概 述通信电源系专指对通信主机直接供电的电源。通信电源的基本要求是安全、可靠、不间断和低杂音。对于一个通信局站，除了对主机供电不允许间断的电源外，还包括有允许短时中断的对保证建筑负荷，机房空调等的供电电源和允许中断的一般建筑负荷用的电源。所以通信局站电源和通信电源是两个概念，通信电源是通信局站电源的主体和关键部分（见图1.1）。图 1.1 通信局站电源通信主机设备可概分为交流供电的通信设备和直流供电的通信设备两大类。程控交换、光通信、微波通信、移动通信设备均属直流供电的通信设备，而卫星地球站设备则属于交流供电的通信设备。目前直流供电的通信设备占大部分。根据通信主机设

2、备的供电要求有交流、直流之分。因此通信电源也有交流不间断供电和直流不间断供电两大系统。对于这两大系统如何保证电源的不间断,实际上都是靠蓄电池作为储备能源来获得的。交流不间断供电系统的供电方案有多种多样，典型的有单一式带旁路开关的方案及并联冗余供电方案（见图1.2）。但不论哪种交流不间断供电系统都包括由交流整流为直流，再由直流逆变为交流两个环节的转变，这将影响系统的效率及可靠性，并且交流的并联冗余技术及旁路技术也要相对复杂些，所以这也是目前通信设备及供电电源还是以直流不间断供电为主的原因。图 1.2 交流不间断电源系统图 1.3 直流不间断电源系统直流不间断供电系统通常采用的方案如图1.3所示。

3、系统构成相对比较简单，只有交流整流为直流一次转换。图1.3中的电压调节装置有两种基本类型。一种是尾电池，另一种是作为降压用的硅二极管，分别称为尾电池方式供电和硅管降压式供电。一般来说，尾电池方式用于400A以上系统，而硅管降压式则用于较小电流的系统。在直流供电系统中之所以采用电压调节装置的原因主要在于协调通信主机工作电压范围和电池工作电压范围之间的矛盾。以纵横制交换机为例，其允许的工作电压范围为-56-66V，其电压变化比率为66/56=1.18。而电池电压以铅酸电池为例均充时为2.35V/节，放电终止值为1.8V/节，其变化比率为2.35/1.8=1.3。所以采用电压调节装置既可以满足通信主

4、机电压允许变化范围较窄的实际，又可保证电池既能充满，又能充分放出电能的目的。但毋庸讳言，电压调节装置的接入，对直流供电系统的可靠性是有相当影响的。随着技术的进步，通信设备的允许工作电压范围已变得越来越宽，甚至宽于电池的变化范围，因此可省去电压调节装置而直接供电。这称之为宽电压范围直流供电系统，而过去有电压调节装置的则称为窄电压范围供电系统。至于直流供电系统的输出配电方式，即如何将直流电送到通信设备的方式，过去都采用集中供电的方式，即直流电源系统集中安装在中央电力室，然后用汇流排输送到各通信机房。由于直流供电系统的标称电压都比较低（24V/48V系统）。当通信设备容量日益增大，而通信机房建筑的楼

5、层也越来越高时，低压大电流的输出配电方式是很不利的，往往线路压降过大或铜材消耗过多。再则，一旦中央电力室电源发生故障，将影响全局通信。故现在倾向于分散/分布式配电，即将中央电力室的直流电源分散到各楼层、通信机房或通信机列中去。这样，一则可节省铜材（直流输电距离短），二则也提高了可靠性，一组电源的损坏，不会影响全局。与分布式配电的目的一样，高阻抗配电也是一种提高可靠性的配电方案。所谓高阻抗配电是在每条负荷支路中串有一定数值的电阻（约为电源内阻的10倍）这样，一旦负荷支路发生短路，也不致使电源系统的电压跌落过多，影响别的支路的工作。图1.4是分布式、高阻抗配电示意图。图 1.4上述的交流不间断供电

6、与直流不间断供电系统，从图1.2、1.3可知，都是从交流市电或油机发电机组取得能源，再变换成不间断的交流或直流电源去供给通信设备，通信设备内部再根据电路需要通过DC/DC变换器或AC/DC整流器转换成多种直流电压。因此，从功能及转换层次来看，可将整个电源系统划分为三个部分，国外将交流市电或油机发电机组称为第一级电源（Primary power supply）,这一级是保证提供能源，但不保证不间断。 上述交流不间断系统和直流不间断系统称为第二级电源(Secondary power supply)，主要是保证电源不间断，至于通信设备内部的由直流不间断电源供电的DC/DC变换器,铃流发生器或小型直流

7、交流逆变器以及由交流不间断电源供电的整流器,则划归为第三级电源(Tertiary power supply)。第三级电源主要提供通信设备内部各种不同交、直流电压的要求,常由插板电源或板上电源提供。板上电源(Power on board)在我国常称为模块电源,体积很小(目前功率密度已达到120W/平方英寸),它可像电阻、电容器件那样由制造厂处购来直接装在印制板上。对于上述三级电源的划分示意图如图1.5。本书所述智能型高频开关电源直流供电系统是属于第二级电源范畴。顺便说一下,我国习惯称第二级电源为基础电源,第三级电源称机架电源。但实际上第一级电源又是第二级电源的基础,因此从名称上说不如国际上的划分

8、为妥。图 1.5 通信电源的分级作为第二级电源,一方面与第一级电源相联形成一个联接界面(输入界面),另一方面与通信设备或第三级电源相连也形成一个联接界面(输出界面)。界面上的技术规范应是界面双方所应共同遵循的。例如第二级电源的输出界面规范应是第二级电源和通信设备或第三级电源共同遵循，从而作为双方相应组成设备制订规范要求的依据。过去由于没有界面规范,双方设备各自制订规范,从而使得电源系统和通信主机常发生一些不必要的矛盾或争执。例如直流系统的输出电压变化范围问题,电源的常规变化范围为额定值的10%, 而纵横制交换机为-56-66V, 程控交换机富士通是-43-56V, S1240是-38-58V,

9、 微波机为-21-27V,而1800路大通路载波为-24V±5%,不相一致。再如杂音指标问题,也是各类设备各自制订,莫衷一是。欧洲通信标准化委员会在93 年制定了第二级电源与通信设备的界面上的技术规范(ETSI300132) 。此标准分为A、B二部分,A 部分是交流供电系统,而B部分是直流供电系统的,并且明确了通信设备的输入端作为界面规范的测试点。现摘录B部分主要技术要求如下:1. 直流电压允许变化范围 -40.5-57Vdc2. 直流电压变动速率 dU/dt<5V/ms3. 直流冲击电流 <5I额定(10ms)4. 杂音电压(分宽、窄带输出杂音和宽、窄带反灌杂音)5.

10、无线电频率干扰符合EN55022或IEC CISPR22标准6. 安全,接地要求等我国95年制定的<<通信局站电源系统总技术要求>> 也提出了电压变动范围及杂音指标等要求,但没有明确为界面要求及规定测试点。<<总技术要求>>中提出的电压允许变动范围为-40-57V(欧洲标准大致相同)。对-48V杂音电压则提出了:(1) 电话衡重杂音: 2mV(2) 峰峰值杂音: 0300Hz, 400mV(3) 宽频杂音电压:3.4 KHz 150KHz, 100mV 有效值150KHz 30MHz, 30mV 有效值(4) 离散频率杂音电压:3.4 150KH

11、z 5mV 有效值150200KHz 3mV 有效值200500KHz 2mV 有效值0.5 30MHz 1mV 有效值至于第二级电源(直流)与第一级电源的界面要求,主要由市电网及油机-发电机组的相关技术规范来确定。其主要技术要求应有: 1. 电压变动范围要求、频率变化要求、波形要求2. 电压暂降,短时中断和电压变化的要求: IEC1000-4-113. 浪涌耐量要求(雷击): IEC801-5;IEC1000-4-54. 无线电频率干扰要求: EN55022,CISRR225. 谐波电流要求: IEC1000-3-2,IEC1000-3-46. 安全,接地要求等通信整流器是第二级电源(直流)

12、中的主要装置,它除了应满足上述两个界面要求外,由于还与蓄电池并联工作,故还应满足蓄电池的有关要求。此外,整流器还应有自身方面要求。对于与蓄电池并联工作方面的要求有: 1. 稳定的浮充/均充电压2. 可调定的电池充电限流功能3. 浮充电压的温度补偿(对阀控密封电池)等整流器自身方面的要求有信号保护,多台并联时负载均分以及效率等。通信整流器近年来已由相控型硅可控整流器向高频开关型整流器发展,DMA10-48/100开关型整流模块就是具有满足上述各方面要求的新一代的产品。后面将具体叙述产品各项特性。在这以前先摘要对整流器中的有关问题作一些概括的介绍。1.2 相控整流器与高频开关型整流器的比较相控整流

13、器在我国自60年代末问世以来,由于其电路及结构简单,性能基本满足通信要求,已历经20余年,至今仍有使用。高频开关电源与之相比有以下优点：体积小、重量轻。由于它不用工频变压器，只用一个体积小、重量轻的高频变压器，因此它的整个体积和重量，不仅远远小于串联线性电源，而且也比串联开关电源小得多。一般约为2030%.功耗小,效率高。它的功率晶体管工作在高压开关状态，电流小、功耗小，而且控制功率也小，因此效率高。以5V为例，串联线性电源的效率只有3040%。串联开关电源的效率为4060%，而它的效率一般高于60%，达到6570%是不困难的，再采取一定的措施，可达到80%以上。输入交流电源频率和电压以及输出

14、电压的变化对它的影响不大。串联线性电源和串联开关电源都有输入交流电源变压器，若电源频率低，如50HZ，则电源变压器体积和重量都大；若电源频率较高，如1000HZ，则电源变压器的体积和重量较小。可见输入电源频率的影响是很大的。而无工频变压器开关电源，既然没有输入交流电源变压器，那么输入交流电源频率低些或高些对它的影响都不大。此外，串联线性电源的功耗随输入电压升高和输出电压降低而增大，因而效率严重下降。但开关电源当输入和输出电压在较大范围内变化时，功耗变化不大，因此效率没有多大变化。不容易出现过压现象。串联线性和串联开关电源，尤其是后者，由于输入输出电压值相差大，串联晶体管一旦击穿，全部输入电压经

15、变压后的峰值电压将加到输出端。不仅电压值高，而且上升速率快，以致过压保护电路还没有来得及动作就已经危及负载（主要是集成电路）。无工频变压器开关电源属于变换器式开关电源，不论高压晶体管是断开或击穿，其输出电压都下降到零，没有过压现象。即使控制电路发生故障引起输出电压升高，但上升速率缓慢，过压保护电路能及时动作切断输入电压。而且控制电路的故障概率毕竟要小得多。输入交流电源突然掉电后，输出电压的维持时间较长。从电网直接整流得到的电压高，输入电容的贮能也大，而且电路本身允许输入电压的变化范围大。因此，当输入交流电源突然掉电时，在额定负载下，输出电压的额定值能维持几十毫秒以上，便于计算机实现信息保护。宜

16、作低电压大电流电源。串联线性和串联开关电源，由于功率晶体管串联在负载回路里，因此负载电流受到功率晶体管允许电流的限制，不能作成大电流电源。无工频变压器开关电源是一种功率转换电路，高频变压器初级功率大，次级功率也大，而且次极可以是任意高低的电压值，因此次级电压低时可以输出大电流。1.3 关于电池管理电池管理在这里是指如何充好电和如何诊断电池容量和故障两方面,而不包括其它日常维护管理。所以从这个意义说,电池管理和整流器及检测系统关系密切,如何充好电又分为浮充和再充电两种情况,在浮充时主要要适当选择浮充电压值,且整流器的稳压精度要有一定要求,对于阀控电池还必须有自动温度补偿,以避免热失控,对于放电后

17、的再充电,主要有充电方式、控制方式以及对电池充电时整流器应有可调限流值功能,使充电电流不超过电池的允许值等各方面。对于充电控制方法,大致有以下五种:1. 时间控制2. 充电终止电流控制3. 充电终止电流变化率控制4. 电压-时间控制5. 容量(安时)控制对充电方法的比较应从是否充足电而又不过充为准则,再兼顾方便经济等因素。上面五种方法各有一定优缺点,例如时间控制法是最简单的一种方法，只需设定一个充电时间,但是否充好电受人为因素和外界因素影响较大;充电终止电流控制法有所改进,但充电终止值与环境温度和电池新旧程度关系很大，也不便于实际操作;终止电流变化率控制法可以不受上述终止电流随温度而变化的情况

18、影响,而仅根据电池充满电后充电电流变化趋近于零这个特征来进行控制,但这种方法与整流器的稳定精度和电流检测传感器的灵敏度有很大关系，否则变化率不易测准;电压时间控制法目前用的较多，图1.8是这种方法的示意图。图 1.8 电压时间控制法充电过程的电池电压及容量变化当交流电停电，电池放电至某一电压阈值时开始计时，作为放电开始，当交流电恢复,电池停止放电时停止计时，把这个时间区段定为放电时间（），而充电时间从另一电压阈值开始并定为放电时间的若干倍（例如倍），到达这个时间则视为充电完毕。这种方法，比起单纯的时间控制法来说，充电时间将随放电量的多少自动进行调整。这种方法是瑞典的Ericsson公司提出的,

19、故又称Ericsson法;安时控制法则直接按放出的电量来进行回充，当然还需乘以充电转换效率系数。这种方法比较更直观。图 1.10 放电容量与电导之间的关系(VRLA 电池, 1000Ah, 168只电池)图 1.9不同电导值时电池的放电曲线对于如何判断电池容量是否充足或有质量故障，对阀控电池而言，常用动态电压电流方法观察。所谓动态是指充放电过程中电压电流的变化情况,可以对单体或将电池分成几组进行观察。近来出现的电导法是建立在电池容量或质量好坏与内阻的相依关系上的新方法,图1.9、图1.10分别表示放电时间，放电容量与电导的关系,这种电导法也有可能成为充电的控制法。1.4 并联工作和并联冗余在单个整流模块的容量不能满足系统容量