數(shù)字控制通訊電源高壓防護(hù)研究

張 偉，劉 輝，鄭大成，周華敏

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳518055）

1 通訊電源的高壓防護(hù)概述

隨著通訊技術(shù)的高速發(fā)展，通訊設(shè)備對(duì)于電力供應(yīng)系統(tǒng)的要求也日益增高。根據(jù)各類(lèi)應(yīng)用的具體需要，通訊電源通常組成各種容量的供電系統(tǒng)對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行供電。通訊電源的交流輸入通過(guò)交流接觸器或空氣開(kāi)關(guān)直接與交流電網(wǎng)相連接，當(dāng)交流電源輸入產(chǎn)生長(zhǎng)期高壓或三相掉零線時(shí)，雖然此時(shí)電源交流輸入過(guò)壓保護(hù)沒(méi)有功率輸出，但是其輸入電路仍然沒(méi)有脫離電網(wǎng)，如果電源或負(fù)載系統(tǒng)不采取措施，就會(huì)損壞整流橋后面輸出濾波的電解電容，造成電解電容爆裂，甚至引起電源起火，造成負(fù)載系統(tǒng)的工作中斷。

通訊電源的高壓防護(hù)是為了防止交流輸入電壓過(guò)高，造成電源內(nèi)部器件損壞而采取的一種防護(hù)措施。由于成本或技術(shù)的問(wèn)題，大多數(shù)通訊電源系統(tǒng)對(duì)輸入高壓沒(méi)有采取任何保護(hù)措施，目前現(xiàn)有的一些電源保護(hù)措施主要包括以下兩種：

（1）系統(tǒng)保護(hù)方法。當(dāng)檢測(cè)到交流輸入電壓過(guò)高或三相掉零線時(shí)，利用系統(tǒng)的交流接觸器斷開(kāi)交流輸入，達(dá)到保護(hù)電源的目的。這種系統(tǒng)級(jí)別的高壓防護(hù)方法需要增加一套與電網(wǎng)永久連接的電源及檢測(cè)電路和控制電路，不僅成本大大增加，而且也增加了系統(tǒng)的額外功耗，關(guān)鍵其本身就存在著高壓防護(hù)和可靠性的問(wèn)題，要求設(shè)計(jì)余量較大，成本很高。

（2）通訊電源單體自身保護(hù)方法。如圖1是一種常用的高壓防護(hù)電路，正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient）串入啟動(dòng)緩沖電路，正常工作后，PTC被與之并聯(lián)的繼電器短路。交流輸入過(guò)壓時(shí)用一個(gè)或兩個(gè)繼電器將主功率電路斷開(kāi)，利用PTC發(fā)熱時(shí)呈高阻狀態(tài)的特點(diǎn)，來(lái)限制主功率電路的電流和壓降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主功率電路整流后濾波電容的過(guò)壓保護(hù)。雖然該方法成本相對(duì)不是很高，但該方法的有兩個(gè)缺點(diǎn)：

圖1 傳統(tǒng)高壓防護(hù)電路

（1）高壓防護(hù)保護(hù)速度慢。PTC從發(fā)熱使其內(nèi)阻達(dá)到滿(mǎn)足要求需要較長(zhǎng)時(shí)間，從而導(dǎo)致保護(hù)速度長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒至數(shù)十秒，在這段時(shí)間內(nèi)很容易發(fā)生PFC輸出濾波電解電容損壞。而且該方法的保護(hù)性能同輸入過(guò)壓的大小和過(guò)壓保護(hù)后負(fù)載電流有關(guān)。如果過(guò)壓或負(fù)載電流越大，則當(dāng)過(guò)壓保護(hù)時(shí)流過(guò)PTC的電流也較大，PTC發(fā)熱也較快，使得保護(hù)速度較快；反之，保護(hù)速度較慢。另外當(dāng)過(guò)壓保護(hù)時(shí)，主功率回路仍然接在交流電網(wǎng)上，繼電器處于間歇式斷開(kāi)和吸合的工作模式，整流橋后面電解電容上電壓維持在交流輸入過(guò)壓的峰值電壓之上和電解電容過(guò)壓保護(hù)電壓之下，此時(shí)電解電容上的電壓應(yīng)力偏高，不利于長(zhǎng)期可靠的工作。

（2）動(dòng)作時(shí)流過(guò)繼電器的沖擊電流大，影響繼電器壽命。過(guò)壓保護(hù)后，由于損耗PFC輸出電壓會(huì)恢復(fù)到正常電壓。如果此時(shí)交流輸入電壓仍然很高時(shí)，控制電路使得繼電器K吸合給電解電容C充電，由于交流輸入電壓與電解電容上C的電壓存在很大的電壓差，且兩者之間沒(méi)有限流電阻，所以通過(guò)繼電器K觸點(diǎn)的電流會(huì)很大，觸點(diǎn)多次動(dòng)作后會(huì)損壞。其表現(xiàn)為，第一：繼電器K的觸點(diǎn)可能會(huì)因流過(guò)的電流太大而粘連不能自動(dòng)斷開(kāi)時(shí)，此電路的功能就會(huì)失效，導(dǎo)致電解電容C損壞；第二：繼電器K的觸點(diǎn)可能會(huì)因流過(guò)的電流太大而部分損壞，導(dǎo)致觸點(diǎn)的接觸電阻增大。電源正常工作時(shí)繼電器K的觸點(diǎn)流過(guò)正常的負(fù)載電流，因接觸電阻增大而持續(xù)發(fā)熱，導(dǎo)致繼電器K損壞，電源不能正常工作。

2 高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)介紹

通訊電源高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2。該控制系統(tǒng)以TI公司的Piccolo系列數(shù)字信號(hào)控制器DSC（Digital signal controller）芯片TMS320F28 03x為主控芯片，該DSC有如下特性：高效率32位CPU（TMS320C28X內(nèi)核架構(gòu)）；可編程的控制加速器功能（CLA）；時(shí)鐘支持動(dòng)態(tài)的PLL設(shè)置，其內(nèi)部有看門(mén)狗模塊和掉電檢查電路，同時(shí)時(shí)鐘模塊提供兩種操作模式：晶振操作和外接時(shí)鐘源操作；多達(dá)45個(gè)可獨(dú)立編程的、帶有輸入濾波的、多功能復(fù)用的通用輸入／輸出口；外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊能夠支持所有外圍設(shè)備的中斷；具有3個(gè)片內(nèi)32位的CPU定時(shí)器；每個(gè)ePWM模塊自帶一個(gè)獨(dú)立的16位定時(shí)器；片上存儲(chǔ)器包括：閃速存儲(chǔ)器（FLASH）32K×16、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 （SARAM）10K×16、一次性編程只讀存儲(chǔ)器（OPT）8K×16和只讀存儲(chǔ)器（Boot ROM）8K×16；128位的安全密鑰；串口外圍設(shè)備接口；高級(jí)的仿真特性；改進(jìn)型的控制與外設(shè)接口。

圖2 高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

通訊電源高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)還包括交流電壓采樣電路、PFC輸出電壓采樣電路、高壓防護(hù)控制電路和PFC PWM驅(qū)動(dòng)控制電路。數(shù)字信號(hào)控制器完成輸入交流電壓和PFC輸出電壓的采樣和計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)高壓防護(hù)電路中的主繼電器K1、輔助繼電器K2及PFC PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制，進(jìn)而完成高壓防護(hù)的功能。

3 高壓防護(hù)控制策略

圖2中高壓防護(hù)電路由主繼電器K1、輔助繼電器K2和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC構(gòu)成。主繼電器K1常開(kāi)觸點(diǎn)連接到主電路中，輔助繼電器K2常閉觸點(diǎn)連接到主電路中。

通訊電源高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)時(shí)性、可靠性同時(shí)要盡量少的占用DSC系統(tǒng)資源。軟件設(shè)計(jì)按照“高內(nèi)聚，低耦合”的原則將軟件程序劃分為交流輸入電壓有效值計(jì)算、PFC輸出電壓Ubus計(jì)算、高壓防護(hù)控制三個(gè)模塊。交流輸入電壓有效值計(jì)算通過(guò)對(duì)一個(gè)交流周期內(nèi)AD采樣值的平方累加和求平均后開(kāi)方得到，PFC輸出電壓Ubus通過(guò)對(duì)AD采樣做平均值數(shù)字濾波算法得到。高壓防護(hù)控制模塊軟件流程如圖3。

圖3 高壓防護(hù)控制模塊流程圖

DSC檢測(cè)到交流輸入過(guò)壓時(shí)控制主繼電器K1斷開(kāi)，DSC檢測(cè)到PFC輸出電壓Ubus超過(guò)保護(hù)值時(shí)，控制輔助繼電器K2立即斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主回路的高壓防護(hù)。此外考慮交流輸入電壓或PFC輸出電壓恢復(fù)正常時(shí)電源可以快速啟動(dòng)，高壓防護(hù)后需保持PFC輸出電壓維持在Ubus過(guò)壓恢復(fù)點(diǎn)之上，因此高壓防護(hù)后當(dāng)PFC輸出電壓低于Ubus過(guò)壓恢復(fù)點(diǎn)時(shí)輔助繼電器K2需重新閉合。K2閉合后交流輸入通過(guò)PTC和K2為PFC輸出電容充電，當(dāng)PFC輸出電壓達(dá)到Ubus過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)，輔助繼電器K2再次斷開(kāi)。

交流輸入電壓正常時(shí)，輔助繼電器K2吸合，通過(guò)PTC電阻給電解電容充電，此時(shí)的充電電流限定在預(yù)定范圍內(nèi)，當(dāng)DSC檢測(cè)到電解電容上的電壓與交流輸入電壓峰值接近時(shí)主繼電器K1才吸合。這樣可以減小閉合繼電器時(shí)的沖擊電流。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采用本文所述高壓防護(hù)電路及控制方法的數(shù)字通訊電源進(jìn)行了高壓防護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4為交流輸入電壓在正常范圍時(shí)主繼電器K1驅(qū)動(dòng)（驅(qū)動(dòng)為低電平主繼電器斷開(kāi)，驅(qū)動(dòng)為高電平主繼電器閉合），輔助繼電器K2驅(qū)動(dòng)（驅(qū)動(dòng)為低電平輔助繼電器閉合，驅(qū)動(dòng)高電平輔助繼電器斷開(kāi)），輸入電流（用于觀測(cè)流過(guò)繼電器的電流），PFC輸出電壓的波形。圖5為交流輸入過(guò)壓時(shí)的波形。從圖4、圖5波形可以看到采用高壓防護(hù)策略后有效地將PFC輸出電壓控制在PFC輸出電容耐壓值之下，而且在繼電器動(dòng)作過(guò)程中流過(guò)繼電器的電流沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，從而保證了PFC輸出電容和繼電器的可靠性。

圖4 交流輸入正常時(shí)波形

圖5 交流輸入過(guò)壓時(shí)波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了不同通訊電源高壓防護(hù)電路的優(yōu)劣，給出了一種數(shù)字控制通訊電源交流輸入高壓防護(hù)電路及其控制方法。該方法通過(guò)檢測(cè)交流輸入電壓和PFC輸出電壓狀況做出智能判斷，控制主繼電器和輔助繼電器的斷開(kāi)和吸合狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能符合高壓防護(hù)要求，解決了通訊電源高壓防護(hù)時(shí)的可靠性問(wèn)題。采用該電路及控制策略的通訊電源已批量生產(chǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，高壓防護(hù)效果良好。

［1］YDT731－2008.通信用高頻開(kāi)關(guān)整流器［S］.2008.

［2］江思敏.TMS320C2000系列DSP開(kāi)發(fā)應(yīng)用技巧［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.