開關電源硬件休眠節能技術

王 劍 廣州杰賽通信規劃設計院

1 背景技術

目前，國內各開關電源制造商生產的各型號開關整流器由于普遍采用了PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）技術和軟開關技術，使得整流器的工作效率比原來的老式相控電源高很多，其峰值效率可達到90%以上。但從各廠家產品測試獲得的“負載-效率”曲線來看，在負載偏低的情況下，由于整流器內部元器件的固有損耗，其效率并不高。雖然各廠家的產品略有差異，但是總體上看，從實際輸出電流0A到110%額定輸出電流的負載變化區間內，開關整流器典型的“負載-效率”曲線如圖1所示：

圖1 開關整流器典型的“負載-效率”曲線圖

由圖1可以看出，開關電源在40%額定電流輸出區間以下，整流器的效率是比較低的，且輸出電流越小效率越低。但整流器的持續工作電流過大時，一旦達到或者超過額定工作電流，其工作穩定性會受到影響。因此從提高整流器的工作效率來講，有必要采取措施確保開關整流器工作在40%～80%的負載區間內。

綜上所述，現有開關電源系統的缺陷是：開關整流器沒有得到合理的利用，工作效率低，熱損耗大，浪費資源。有必要采取合理的技術措施，避免多個整流器工作在效率較低的負載率區間內，提升整個開關電源系統的工作效率，降低熱損耗，達到節能的目的。

2 廠家軟件休眠方案及缺陷

從2009年開始，國內各開關電源廠家陸續推出了結合自身電源產品的軟件休眠節能技術，其普遍的技術原理是：廠家根據自身的開關整流器的“負載-效率”特性，預設一個合理的負載率區間，通過電源系統監控單元實時采集整流器輸出電流與總負載電流，計算判斷需要工作的整流器數量，然后通過整流器遙控開/關機命令實現對整流器的軟關機和開機，達到休眠節能的目的。其原理圖如圖2所示：

圖2 開關電源廠家軟件休眠節能原理圖

開關電源廠家通過軟件升級實現休眠節能，在一定程度上達到了降低系統熱損耗的效果，但明顯存在以下缺陷：

（1）監控單元故障可能影響系統電流輸出能力

處于軟件控制休眠節能模式下的開關電源系統，如監控單元發生故障，部分廠家在休眠模式下的整流器即使斷電復位也不能自動打開，若此時發生停電故障再來電需要給蓄電池充電的情況，或發生網絡擴容導致負載電流增加的情況，則會直接影響到開關電源系統的電流輸出能力，嚴重影響網絡運行的安全性。

（2）達不到最佳節能效果

由于整流器休眠節能是通過系統軟關機實現的，在熱備份休眠模式下，整流器在通信接口部分和輔助電源部分仍有一定的功耗。經檢測，平均每個50A的整流器在軟關機休眠模式下的損耗為20W～25W。因此，在休眠模塊數量越多的情況下，系統模塊軟關機的固有功耗也越大。

（3）休眠節能的可靠性不高

在監控單元故障情況下，開關電源系統休眠節能功能會丟失，導致回到所有整流器工作的情況。因此，系統休眠節能功能完全依賴于監控與整流器之間的通信狀態，可靠性得不到保證。

（4）系統的防雷防浪涌沖擊的可靠性得不到提升

在整流器熱備份休眠模式下，整流器僅僅被切斷了直流輸出，其交流輸入部分仍然處于帶電狀態。因此，在雷擊或持續過電壓沖擊的情況時，休眠模式下的整流器仍可能被雷擊或過電壓沖擊導致損壞。嚴重情況下甚至會導致開關電源系統所有的整流器被雷擊損壞，喪失電流輸出能力，這與處于非節能模式下的開關電源系統一樣，防雷性能得不到任何有效提升。

3 開關電源硬件休眠節能技術

作為公眾通信網絡中基礎設備的開關電源系統，承擔著給所有通信設備設施供電的任務，因此對它的任何技術改進措施都必須首先確保電源系統的安全性和穩定性。基于此，在電源廠家通過軟件實現休眠節能存在上述缺陷，必須采用新的休眠節能方案來克服。目前，國內出現了最新的通過外圍硬件控制的休眠節能技術，并取得了國家專利。其原理圖如圖3所示。

由圖3可知，其基本工作原理是：節能控制器不依賴于開關電源監控單元，而是獨立實現對整流器輸出電流總和各模塊工作狀態的檢測，通過預先設定的整流器工作效率區間，判斷當前負載情況下需要工作的整流器數量，然后控制加裝在整流器交流輸入前端的繼電器，控制整流器的市電輸入通斷，通過冷備份方式來達到休眠節能的目的。

圖3 硬件實現電源休眠節能原理圖

相比于電源廠家通過軟件實現休眠節能的方式，硬件休眠節能系統具有以下優點：

（1）任何時候都不會影響開關電源的電流輸出

由于硬件休眠節能系統采取的是控制整流器交流輸入電源的通/斷，休眠模式的整流器完全處于斷電狀態，因此在主用整流器故障或負載電流增大需要打開備用整流器時，不會出現在軟件休眠模式下監控單元故障時整流器軟關機休眠后不能自動打開的情況。此外，整流器前端控制開關采用了常閉型交流接觸器，即使硬件節能系統失效也不會影響到開關電源系統的電流輸出能力，確保了網絡運行的安全性。

（2）可實現最佳節能效果

由于硬件休眠節能系統自身功耗僅5W，采取的是控制整流器交流輸入電源的通/斷，休眠模式的整流器完全處于斷電狀態，因此較之軟件休眠節能的情況，省去了整流器軟關機狀態下的固有損耗，平均每個50A的整流器可節省20W～25W。在休眠模塊數量越多的情況下，節省的功耗也越大。

（3）休眠節能的可靠性高

由于硬件休眠節能系統獨立于監控單元工作，并在外圍建立了一套完整的數據采集與控制系統，因此只要整流器工作正常，節能系統就能充分發揮效力，不受監控單元工作狀態的影響。

（4）系統的防雷可靠性大幅提升

由于硬件休眠節能系統采取的是控制整流器交流輸入電源的通/斷，休眠模式的整流器完全處于斷電狀態，因此在雷擊或持續過電壓沖擊的情況下，處于冷備份休眠模式下的整流器不會被雷擊或過電壓沖擊損壞。若主用整流器被雷擊損壞，則處于冷備份模式的休眠整流器自動投入工作，大幅提高了開關電源系統的防雷擊性能，保證了網絡運行的安全性。

（5）工程實施簡單方便

目前，電信運營商網上都存在不同時期、不同廠家、不同型號的開關電源產品，各電源廠家都只能實現對自身的、部分產品的軟件升級休眠節能，對于相對較老的產品則無法實現。而通過硬件實現休眠節能將避免了不同廠家、不同型號的困擾，運營商只需面對一個廠家，可實現對現網所有開關電源產品的休眠節能，工程管理和實施都非常簡單方便。

4 節能效益測算與實施效果

以移動運營商為例，測算移動基站組合式一體化開關電源在使用該節能系統后產生的收益。

由于各移動運營商現有基站直流用電設備包括BTS、SDH和數字微波等設備，其中BTS又分為G網900M與1800M、C網800M等。從載頻配置來看，以-48V（實際情況下浮充狀態為54V）系統40A負載電流、開關電源配置為4臺50A整流器為例進行計算。

在蓄電池正常浮充狀態下，4臺整流器每臺輸出電流為10A，負載率為20%。此時整流器的工作效率只有約80%，整流器的直流輸出功率約為540W。因此交流輸入功率約為675W，每臺整流器的熱損耗約為135W，4臺整流器總的熱損耗約為540W。

在開關電源節能系統投入使用后，根據負載電流大小，只采用1臺整流器工作、關閉其余3臺整流器。該整流器的負載率為80%，效率可達到90%，直流輸出功率約為2160W，交流輸入功率約為2400W。由于此時只有1臺整流器工作，因此系統總的熱損耗只有240W。

對比前后兩種情況可知，在使用開關電源節能系統后，該基站開關電源系統可節省熱損耗約為300W。照此計算，在不停電的情況下每天可節約用電7.2kWh，每月可節約用電216kWh。按照1.0元/kWh計算，每月可節約電費216元，每年節約電費超過2500元。

[1]宋守國,張少文. 基站開關電源模塊休眠技術在節能降耗中的應用[J]. 電信技術, 2008(7): 39-40.

[2]普利斯曼,莫瑞. 開關電源設計[M]. 王志強,譯. 3版. 北京: 電子工業出版社, 2010.

[3]趙啟陽,李向恩. ZL 2007 2 0188633.5. 開關電源節能裝置[P]. 2008.