通信平臺中的高可靠電源模塊設(shè)計研究

劉學鋼

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

在工業(yè)化發(fā)展期間，大功率設(shè)備應(yīng)用廣泛，對電源模塊的可靠性提出了更高要求。尤其對于通信平臺而言，為滿足通信需求，通信平臺對電源模塊的依賴程度較高，在長期發(fā)展中，電源模塊已成為通信平臺正常運行的核心裝置。為滿足各行各業(yè)對電源模塊的要求，高性能和高頻化已成為電源模塊主要設(shè)計目標，在本次研究中將結(jié)合某通信平臺對冗余電源模塊的高可靠要求展開設(shè)計分析。

1 電源模塊分類

電源模塊隨著電子行業(yè)的發(fā)展，其種類逐漸豐富，用以滿足不同應(yīng)用場景。在電源模塊應(yīng)用時，需結(jié)合自身需求選擇適宜類型。以電源模塊輸入輸出類型為指標，可分為直流輸入DC-DC電源模塊、交流輸入AC-DC電源模塊以及DC-AC逆變電源。以電源模塊輸出功率為依據(jù)，DC-DC電源模塊可分為微、小、中、大功率，功率范圍分別為0.1～3 W、1～30 W、50～200 W、＞200 W，而AC-DC電源模塊可進一步劃分為小、中、大功率，功率范圍分別為3～36 W、50～3 200 W、＞200 W。以輸入電壓范圍為依據(jù)進行劃分，DC-DC電源模塊可細分為寬范圍電壓輸入、穩(wěn)定電壓輸入以及超寬電壓輸入，而AC-DC電源模塊可分為三相四線制輸入（380 V交流）、其他交流電壓輸入以及常規(guī)輸入（85～265 V交流）。以輸出精度為劃分依據(jù)，可將DC-DC電源模塊劃分為可調(diào)輸出、穩(wěn)壓輸出以及非穩(wěn)壓輸出，而AC-DC電源模塊僅可分為可調(diào)輸出和穩(wěn)壓輸出兩種。此外，將應(yīng)用場合作為劃分依據(jù)，可分為通信電源、電力電源、民用電源、軍用電源、醫(yī)療電源、航天電源以及工業(yè)電源等[1]。電源模塊具有體積小、易更換以及性能優(yōu)異等特點，部分類型電源模塊可實現(xiàn)冗余供電，其種類雖多，但多為開關(guān)電源設(shè)計，并滿足不同場景下的電源模塊需求。

2 通信平臺電源模塊設(shè)計實例分析

所選用設(shè)計實例為軌道交通通信平臺，其對電源模塊設(shè)計提出了更高的可靠性要求，且需電源模塊具有冗余電源設(shè)計，具有兩種直流電壓。為滿足該通信平臺要求，以下展開針對性電源模塊設(shè)計[2]。

2.1 明確整體框架

圖1為本次電源模塊設(shè)計框架，為滿足該通信平臺要求，采用220 V和48 V兩種直流電壓，同時該通信平臺對輸出功率具有較高標準。在本次設(shè)計中，直流220 V和直流48 V對應(yīng)輸出功率需不低于2 000 W和600 W，為高功率設(shè)計。在整體設(shè)計中，從直流220 V和直流48 V兩個角度進行設(shè)計，其中直流220 V電路包括整流電路、開關(guān)控制電路、濾波電路以及開關(guān)等，而直流48 V電路需考慮轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及輸入保護等，兩種輸出電路需實現(xiàn)負載共享。為實現(xiàn)電源模塊高可靠目標，需額外注意各類電路的控制工作，并結(jié)合其對冗余電源模塊的要求科學設(shè)計冗余電路[3]。

圖1 電源模塊設(shè)計框架

2.2 主電路設(shè)計

2.2.1 直流220 V主電路設(shè)計

在直流220 V主電路設(shè)計中，為保障電源模塊整體功能，需盡可能降低電路噪聲及紋波，將濾波電路加入到電路輸入端。采用LC-π型濾波電路，該濾波電路雖具有沖擊電流大的缺點，但可靠性優(yōu)點較為突出，因此在本次高可靠電源模塊設(shè)計中選用該型號的濾波電路最為適宜。過載、過壓以及短路問題為常見電源模塊的故障形式，極大影響了電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性。為杜絕以上故障問題，在本次直流220 V主電路中采用固態(tài)繼電器，用以控制交流220 V輸入端，此外電路外部具有控制板卡，可識別過載、過壓以及短路問題，并向電源模塊傳遞開關(guān)控制信號，此時固態(tài)繼電器開關(guān)將斷開，關(guān)閉輸出，確保電路效果。固態(tài)繼電器具有高可靠、抗干擾、觸點反應(yīng)快以及壽命長的優(yōu)點，還具有較強的防腐蝕、防爆及耐沖擊能力。運用微小信號驅(qū)動電流負載，在該通信平臺電源模塊設(shè)計背景下，運用固態(tài)繼電器可滿足設(shè)計要求，最大程度保障電源模塊可靠性。橋式、全波以及半波為當前最常用的整流電路形式，在本次電源模塊設(shè)計中選用橋式整流電路（具體如圖2所示），此外該通信平臺電源模塊為高功率設(shè)計，電源功率要求較高，因此采用高功率橋式整流器，正向電壓和反向峰值電壓分別為1.1 V、1 kV，正向電流和最大浪涌電流分別為15 A、300 A，以此滿足電源模塊對輸出能力的要求，提高電源模塊設(shè)計效果[4]。

圖2 電源模塊中的橋式整流電路

2.2.2 直流48 V主電路設(shè)計

直流48 V主電路設(shè)計需考慮濾波電路及輸入保護。產(chǎn)生過載、過壓以及短路問題時，電路內(nèi)將因電流過大而導(dǎo)致保險絲溫度過高，并進入高阻態(tài)狀態(tài)，此時電路電流將關(guān)斷。為提升電路整體性能，可采用PTC自恢復(fù)保險絲。當過載、過壓以及短路問題排除后，保險絲可自主恢復(fù)至常規(guī)狀態(tài)，使電源模塊電路及時運轉(zhuǎn)，提升電源模塊可靠性。直流48 V主電路中的濾波電路與上述直流220 V主電路類似，采用LC-π型濾波電路，最大程度確保電源模塊可靠性。保障電源模塊整體性能，需通過轉(zhuǎn)換電路將交流220 V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?8 V，滿足電源模塊設(shè)計要求。此外，在本次設(shè)計中，AC-DC電源模塊功率為700 W，寬輸入范圍為交流85～264 V，高功率因數(shù)及高效率參數(shù)分別為99%、98%，功能全面，可實現(xiàn)輸出過壓保護、欠壓封鎖保護以及過流保護，以此提升電路穩(wěn)定性。同時本次電源轉(zhuǎn)換模塊選用COSEL公司產(chǎn)品，具有去耦電容、輸入輸出濾波電容、限流電阻、放電電阻以及整流二極管等元件。其中，去耦電容主要為抵御電磁輻射高頻干擾；輸入輸出濾波電容可進行濾波，保障電路穩(wěn)定；限流電阻具有熱熔斷功能及限流功能，可良好控制機溫度，避免因高溫問題損壞電源，確保電源可靠性；電源模塊內(nèi)部存有電荷，使用者易受到觸電威脅，而放電電阻可避免電荷對使用者造成損傷，提升電源模塊安全性；放電電阻串聯(lián)設(shè)置進行分壓，以此避免放電電阻造成功率損耗；整流二極管為并聯(lián)分流設(shè)置，主要作為保護元件，降低損壞率，并實現(xiàn)冗余并聯(lián)N+1功能，全方位保障線路穩(wěn)定[5]。通過合理的電子元件選用確保電源模塊可靠性。

3 提升通信平臺電源模塊可靠性的設(shè)計方法

為進一步提升電源模塊可靠性，以下從開關(guān)控制電路、電壓采集電路、冗余電源設(shè)計以及模塊散熱設(shè)計4個方面展開介紹，以總體設(shè)計框架為依據(jù)，從不同角度確保設(shè)計可靠性。

3.1 開關(guān)控制電路

從上述設(shè)計分析中可知，在本次電源模塊設(shè)計中，通過固態(tài)繼電器關(guān)斷故障時的220 V直流電壓起到防護效果。為保障固態(tài)繼電器功能完整，當故障發(fā)生時保護電路，本次設(shè)計中運用光耦合器，用以控制固態(tài)繼電器狀態(tài)，將外部信號傳遞至固態(tài)繼電器，構(gòu)建開關(guān)控制電路。選用光耦合器的原因主要在于其抗干擾效果優(yōu)異、傳輸效率高，且可在輸出端和輸入端間構(gòu)建電氣隔離，極大保障電源模塊穩(wěn)定性，促進高可靠電源模塊設(shè)計目標的實現(xiàn)[6]。

3.2 電壓采集電路

過載、過壓以及短路等問題故障可極大影響電源模塊穩(wěn)定性，故障發(fā)生時需第一時間處理。為確保電源模塊運維人員可及時發(fā)現(xiàn)故障問題，在本次電源模塊設(shè)計中增設(shè)電壓采集電路，并連接外部設(shè)備，可提供直流電壓。了解電源模塊實時狀態(tài)，便于運維人員第一時間處理解決故障問題，提升電源模塊可靠性[7]。

3.3 冗余電源設(shè)計

通信平臺長時間工作運行對電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性提出了高標準，為滿足通信平臺對冗余電源的要求，本次將針對該通信平臺進行專項設(shè)計，確保電源模塊穩(wěn)定性。在當前冗余電源模塊設(shè)計中，通常配備兩個及其以上電源，若某電源在運行期間發(fā)生故障問題，則不會干擾其他電源，以此維持通信平臺正常工作，實現(xiàn)無間斷運行。此外，故障電源可在不影響整個通信平臺系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行更換[8]。容量冗余、冗余備份（冗余冷備份、冗余熱備份）以及并聯(lián)N+1備份為常用電源冗余方式。其中，冗余冷備份主要指通信平臺在工作期間僅有單一模塊進行供電，其余預(yù)備模塊僅可在出現(xiàn)故障問題時啟動，并進入供電狀態(tài)。該方式最顯著的缺陷在于電源切換較慢，且在切換期間易出現(xiàn)電源豁口，即設(shè)備中斷運行。冗余熱備份指僅單一模塊進行工作，其余模塊為空載狀態(tài)，若此時產(chǎn)生故障問題，則空載模塊立即調(diào)整為供電狀態(tài)。在此過程中，主電源負載較大，易引發(fā)故障問題，但具有電壓穩(wěn)定的優(yōu)勢[9]。容量冗余指冗余電源模塊負載承擔能力需大于實際負載，若采用容量冗余方式設(shè)計電源模塊，則無法解決單點故障問題，與高可靠性目標相悖，應(yīng)用效果不佳。并聯(lián)N+1備份是通過二極管或門電路進行模塊單元并聯(lián)，通信平臺運行期間將由各模塊共同供電。在此狀態(tài)下，各電源模塊負載均衡，若某一電源模塊出現(xiàn)故障問題，則由其余電源模塊分攤故障模塊的負載，有助于提升電源模塊穩(wěn)定性。經(jīng)上述分析，為滿足高可靠性設(shè)計要求，本次選用并聯(lián)共享負載的形式用以緩解電源負載，此時需確保單個電源模塊規(guī)格符合滿負載標準，若發(fā)生故障則不會干擾整體供電效果，兼顧并聯(lián)N+1備份及冗余熱備份兩種形式優(yōu)點。

3.4 模塊散熱設(shè)計

模塊散熱設(shè)計不僅可便于電源模塊散熱，更可降低模塊間的干擾效果。為確保電源模塊整體穩(wěn)定性，設(shè)計期間需最大程度保障兩路直流電路各模塊均勻分布。在PCB板標準范圍內(nèi)增加間距間隔，電容需與元件緊靠設(shè)置，除此之外，由于本次所設(shè)計的電源模塊功率較高，其產(chǎn)生的熱量較大且能耗較高，為滿足電源模塊散熱標準，需在高能耗元件外設(shè)置散熱片，并于電源模塊機殼內(nèi)部設(shè)置兩個散熱風扇，最大限度控制電源模塊溫度，使電源模塊維持在高可靠性運行狀態(tài)下[10]。

4 結(jié) 論

電源模塊按不同分類方式分為多種形式，設(shè)計通信平臺中的電源模塊時應(yīng)結(jié)合實際需求進行選擇與設(shè)計。本次所選用的案例通信平臺中，對可靠性較高的冗余電源模塊具有高標準，設(shè)計前依據(jù)其實際需求完成整體框架設(shè)計，并詳細介紹了設(shè)計思路，對電源模塊常見過載、過壓以及短路等問題進行保護，完成設(shè)計后進行現(xiàn)場試驗，效果穩(wěn)定，設(shè)計較為成功。