通信電源模塊交流輸入高壓防護

包爾恒

（廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510925）

0 引 言

單相輸入通信電源模塊的常見電路結構如圖1所示，交流輸入開關合閘、模塊上電啟動時，由于整流橋后濾波電解電容開機前端電壓為0 V，相當于其兩端短路，上電瞬間會產生很大的沖擊電流（開機浪涌電流），在交流峰值時刻合閘時沖擊電流達到最大值。抑制啟動沖擊電流最常見的辦法是在電源交流輸入和電解電容之間加負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）的熱敏電阻，開機時NTC熱敏電阻冷態呈現較大的電阻，啟動沖擊電流被限制，模塊工作后NTC熱敏電阻流通持續電流發熱、阻值大大減小（損耗減小）。在小功率開關電源中，由于輸入電流小，NTC熱敏電阻的損耗對整體電源效率的影響可以忽略。對于大功率開關電源，目前通常采用固定阻值功率電阻+繼電器，繼電器常開觸點并聯在電阻兩端，電源啟動時繼電器觸點斷開，電阻接入在交流輸入和電解電容之間，限制啟動沖擊電流，當電容電壓上升到一定值或經過一定的延時，控制繼電器吸合將電阻短路[1,2]。

圖1 通信電源模塊電路結構

交流輸入電壓的異常高壓通常有下述幾種情況：雷電過電壓、操作過電壓；基站通信電源在比較惡劣的運行環境下，交流電網電壓波動大或電壓波形畸變；操作失誤將相電壓錯接成線電壓等。對于雷擊情況，通常在機房進線處、系統柜設置防雷器及模塊內部設計防雷電路，防雷電路動作將端電壓限制在殘壓電壓而保護其后電路，這種情況常見于電壓高到防雷電路動作的情況，其特點是出現瞬間的高壓但持續時間很短，通常不會對電解電容造成損壞[3]。當交流電壓異常高壓且持續時間較長，同時未達到防雷電路的動作電壓，若不進行輸入高壓防護，則會將整流橋后功率因素校匹（Power Factor Correction，PFC）電路的輸出電解電容充電到超過其額定電壓而損壞（單項輸入模塊通常采用額定電壓450 V的電解電容），這是通信電源模塊失效的主要因素之一。對于這種異常高壓，通常采用高壓防護電路進行保護。本文對常見的開機沖擊電流抑制及高壓防護電路的結構原理及各自的優缺點進行分析。

1 常規軟啟動及過壓保護方法

目前單相交流輸入開關電源最為常見的軟啟動電路如圖2所示。采用繼電器和固定阻值功率電阻相結合的方式，在交流上電時，電阻R接入電流通路限制啟動沖擊電流，整流橋后電解電容電壓逐漸升高，當電壓達到輔助電源的最低工作電壓時，輔助電源開始工作。經過一定的延時或檢測電容電壓達到一定值后，控制電路發出繼電器吸合信號，繼電器動作，其常開觸點閉合將啟動電阻短路，完成軟啟動。

圖2 常規軟啟動電路

交流檢測電路檢測到異常高壓時，封鎖PFC及DC/DC變換電路的驅動脈沖，即電源關機，同時發出過壓告警信號。該方案電路和控制簡單，其不足在于未切斷交流高壓和整流橋及其后電路的電路連接，會導致整流橋后電解電容電壓被充電到超過其額定電壓而損壞，異常高壓也有損壞功率開關的風險。在PFC或DC/DC變換開關失效導致中間環節直流母線短路時（如雷擊等導致PFC開關管擊穿短路或橋式DC/DC變換電路驅動受干擾引起上下管直通損壞），由于輔助電源失電，繼電器觸點斷開，等效于將啟動電阻直接接在交流輸入端，導致啟動電阻承受功率過大發熱損壞，同時使得電阻處的印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）由于高溫發生碳化現象甚至著火。

2 軟啟動及高壓防護優化方案

2.1 方案一

針對常規軟啟動及過壓保護方案存在的問題，文獻[4]提出一種具有高壓故障隔離的軟啟動及高壓防護解決方案，如圖3所示。在常規軟啟動電路基礎上增加1個繼電器Relay-B和1個正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）熱敏電阻，2個繼電器、啟動電阻R及PTC熱敏電阻之間構成圖3電路連接關系，2個繼電器各自獨立控制。該電路在正常交流輸入時的啟動過程如下：模塊交流上電、交流電壓通過電阻R串聯PTC熱敏電阻為整流橋后電解電容充電，其端電壓逐漸上升，當電壓上升到輔助電源的工作電壓時（反激變換器輔助電源從電解電容兩端取電），輔助電源和控制電路開始工作。交流檢測電路檢測到交流輸入電壓正常后，控制電路發出繼電器Relay-B的吸合信號，其常開觸點閉合短路PTC熱敏電阻，之后交流輸入僅僅通過固定電阻R為電解電容充電，通過一定的延時或檢測電容電壓達到一定值時，繼電器Relay-A的控制電路發出其吸合信號，其常開觸點閉合短路電阻R，完成軟啟動過程。

圖3 優化方案一電路結構

高壓防護原理：電源模塊在正常工作模式下，當檢測到交流輸入電壓過高或者電解電容端電壓過高時，控制電路進行如下操作。一是PFC及DCDC控制電路封鎖其開關驅動脈沖、模塊關機；二是2個繼電器的控制電路發出繼電器線圈斷電信號，2個繼電器的常開觸點斷開。固定電阻R和PTC同時接入，輔助電源用電使得PTC熱敏電阻快速發熱形成高阻，使得電解電容的充電電流小于放電電流，電解電容端電壓開始下降，當其電壓下降到設定的最低電壓時，繼電器Relay-B的控制電路控制其重新吸合而短路PTC，電解電容端電壓開始回升，當上升到設定的最高電壓時，繼電器Relay-B再次斷開，電解端電壓又開始下降，如此反復，在電解電容兩端形成如圖4所示電壓波形，整流橋前交流電壓和電解電容端電壓被限制，實現高壓防護。電解電容端電壓維持輔助電源一直工作，當電壓恢復正常時，進入正常軟啟動模式，之后PFC及DC/DC電路工作、模塊輸出功率。

圖4 電解電容端電壓波形

當整流橋后直流電路發生短路，如PFC或DC/DC變換電路開關管失效短路造成PFC直流母線短路（等效于電解電容短路），這時模塊上電，從電解電容兩端取電的輔助電源無法工作，2個繼電器不動作（常開觸點斷開），交流輸入基本加在PTC熱敏電阻上使其急劇發熱形成高阻，相當于電路在PTC熱敏電阻處斷開實現故障隔離。

2.2 方案二

文獻[5]提出一種能夠在高壓輸入下脫離電網的軟啟動及高壓防護電路，其基本結構如圖5所示。高壓防護電路、沖擊電流限制（軟啟動）電路分別通過2個繼電器Relay1和Relay2獨立控制，交流電壓正常時的啟動過程為：交流電壓檢測電路和輔助電源1（Relay1的控制電路電源）從繼電器Relay1之前電路取電，交流電壓檢測電路檢測到輸入交流電壓正常時，控制Relay1吸合，交流輸入通過電阻R（通常為水泥電阻）為PFC電解電容充電，從電解電容取電的輔助電源2（反激變換器）工作后，通過一定的延時（或PFC電解電容電壓充電到一定值）后控制Relay2線圈得電（控制電路由輔助電源2供電），其常開觸點短路啟動電阻R，完成軟啟動過程。當電網電壓異常高壓時，交流電壓檢測電路的輸出控制Relay1斷開，從而使得Relay1之后電路直接脫離電網；當電網電壓恢復到模塊輸入過壓設定的正常電壓范圍時，重新吸合Relay1。

圖5 優化方案二電路結構

除了上述Relay1和Relay2獨立控制外，也可以將Relay1吸合的控制信號做一定的延時控制Relay2吸合，可同樣實現軟啟動控制。

該電路的優點是在輸入高壓時可以使Relay1之后電路完全脫離電網（由繼電器常開觸點形成機械斷點）達到較方案一更可靠的保護作用；缺點是需要在Relay1之前取電獲得控制Relay1的輔助電源，也就是該電路需要2個輔助電源：Relay1控制電路電源和正常工作情況下模塊的輔助電源（反激變換器），電路復雜性相對增加。

3 結 論

常規軟起動及過壓保護方法存在可靠性缺陷，2種優化方案分別通過在交流高壓輸入時采用PTC高阻隔離或直接脫離電網的方式達到高壓防護的效果，優化方案提高了電源模塊的整體工作可靠性。