不同模式下直流供電關(guān)鍵瓶頸分析

劉 馳，周 進(jìn)，李 明

（78156部隊(duì)，重慶 400038）

0 引 言

通信電源是通信系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，其核心是安全、可靠、高效、不間斷地向通信設(shè)備提供供電保障，滿足并保證各類通信設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。電源作為通信設(shè)備的“心臟”，地位至關(guān)重要。通信設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，一般是單個(gè)端口、單個(gè)板件或者單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，其影響面較小，是局部性的。但是如果通信電源系統(tǒng)發(fā)生故障，該臺(tái)站的所有通信設(shè)備都將停止工作，通信系統(tǒng)將全部中斷，將造成方向性或者區(qū)域性的通信中斷，影響面極大。近年來(lái)，電源設(shè)備故障造成的通信系統(tǒng)事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響信息通信安全。

為實(shí)現(xiàn)信息通信安全可靠不間斷的目標(biāo)和增加運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，信息通信設(shè)備自身不斷發(fā)展，其供電模式從單路輸入到2路主備輸入，到多路主備輸入。這些供電模式需求的提出，標(biāo)志著通信設(shè)備對(duì)供電保障提出更高要求。供電輸入路數(shù)不斷增加的目的就是增加供電的可靠性，盡一切可能避免因供電中斷影響信息通信安全。為適應(yīng)供電需求模式的變化，通信電源系統(tǒng)與時(shí)俱進(jìn)，不斷改進(jìn)供電模式。本文主要研究分析對(duì)比了高頻開關(guān)電源到通信設(shè)備之間存在的不同直流供電模式，力求找出合理的直流供電模式。

1 單電源單路供電

在早期的光傳輸設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和程控交換設(shè)備以及目前大部分小型通信設(shè)備的供電要求中，都只設(shè)計(jì)了1路電源輸入模式，不支持雙路輸入供電功能，使用中只能接入一路電源，未考慮備用供電途徑，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙電源供電，如圖1所示。

圖1 直流單路供電模式

從此種供電模式的供電路徑可以看出，市電經(jīng)各模塊整流后為負(fù)載提供直流保障，同時(shí)為蓄電池充電，整流模塊為n+1冗余備份。蓄電池為2組后備，與高頻開關(guān)電源柜內(nèi)的匯流母排直接相連。當(dāng)市電正常時(shí)，直流供電不會(huì)出現(xiàn)中斷的可能。當(dāng)市電中斷，整流模塊無(wú)法工作時(shí)，蓄電池組為通信負(fù)載提供供電保障。從圖1可以看出，從高頻開關(guān)電源匯流母排到通信設(shè)備電源輸入端子這唯一供電路徑上存在中斷風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)供電路徑上的任何1個(gè)熔斷器、開關(guān)、線纜接頭或插座出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致這條供電路徑阻斷，供電中止，通信設(shè)備無(wú)法正常工作。這種單一路徑供電模式雖然在故障率較高的整流模塊和蓄電池上做了備份，但是忽略了供電路徑上的中斷風(fēng)險(xiǎn)，可靠性較低，不能滿足目前通信設(shè)備高可靠性保障要求。

2 單電源雙路供電

為了提高供電可靠性，降低因供電路徑中斷而供電中斷的風(fēng)險(xiǎn)，部分通信設(shè)備在硬件設(shè)計(jì)上采取雙路輸入供電方式。單電源雙路供電模式如圖2所示。

圖2 單電源雙路供電模式

從圖2可以看出，采取雙路供電方式，一方面彌補(bǔ)了單一供電路徑的不足之處，另一方面也適應(yīng)和滿足了通信設(shè)備雙路供電輸入的需求。在通信設(shè)備具有雙路供電輸入的前提下，從1臺(tái)高頻開關(guān)電源匯流母排上引出2路獨(dú)立供電路徑，確保1路供電路徑出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)造成通信設(shè)備供電中斷，有效避免單供電路徑造成的阻斷風(fēng)險(xiǎn)。

單電源雙路供電模式從整流模塊、蓄電池及供電路徑上均實(shí)現(xiàn)了主備備份，大大提高了供電可靠性，避免了因單點(diǎn)故障造成的通信設(shè)備供電中斷。但是此種供電模式也存在單電源故障風(fēng)險(xiǎn)。在長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐中，曾多次出現(xiàn)因操作失誤造成高頻開關(guān)電源匯流母排及輸出回路正負(fù)極瞬間短路，輸出電壓瞬時(shí)降低，通信設(shè)備供電中斷的故障案例。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M開關(guān)電源輸出瞬間短路時(shí)，測(cè)試其輸出電壓波動(dòng)程度。當(dāng)瞬間短路出現(xiàn)時(shí)，其輸出電壓最低為35.4 V,持續(xù)時(shí)間為3 ms，在通信設(shè)備側(cè)測(cè)量結(jié)果為最低電壓為13.2 V，持續(xù)時(shí)間為4 s。該電壓數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通信設(shè)備最低輸入電壓要求（-38.4 V），持續(xù)時(shí)間也己經(jīng)超過設(shè)備無(wú)感知時(shí)間，將造成通信設(shè)備供電短時(shí)中斷，導(dǎo)致設(shè)備重啟，嚴(yán)重影響方向性、系統(tǒng)性通信安全。

3 雙電源雙路模式

為解決單電源存在的瞬間短路故障隱患，真正實(shí)現(xiàn)雙設(shè)備、雙路徑供電保障，很多通信臺(tái)站實(shí)現(xiàn)了雙電源雙路徑配置模式。雙電源系統(tǒng)就是1個(gè)通信設(shè)備的電源板主備電源從2個(gè)不同的開關(guān)電源引入，當(dāng)其中1套開關(guān)電源出現(xiàn)故障時(shí)，另1套電源依然能夠?yàn)樵O(shè)備進(jìn)行不間斷的供電，從而確保了設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。

這種雙電源雙路徑模式因通信設(shè)備電源輸入端的不同存在2種情況。

3.1 雙路并聯(lián)

一般的通信站點(diǎn)未嚴(yán)格要求2路直流電源系統(tǒng)間必須實(shí)現(xiàn)物理隔離，由于存在直流配電設(shè)備或通信設(shè)備內(nèi)部的雙路供電合路裝置，導(dǎo)致2臺(tái)高頻開關(guān)電源輸出并聯(lián)[3]。直流雙電源雙路并聯(lián)供電模式如圖3所示。

圖3 直流雙電源雙路并聯(lián)供電模式

如圖3所示，通信設(shè)備設(shè)計(jì)了2路電源輸入接口，配置了2套獨(dú)立高頻開關(guān)電源為其供電。但是由于在通信設(shè)備內(nèi)部2路輸入實(shí)際是并聯(lián)在一起供電，未實(shí)現(xiàn)物理隔離，這樣就導(dǎo)致了2臺(tái)不同的高頻開關(guān)電源實(shí)際是并聯(lián)在一起工作，這種模式會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一系列的問題。

（1）自動(dòng)調(diào)壓死循環(huán)。對(duì)于通信設(shè)備電源模塊內(nèi)部2路輸入沒有采取隔離措施的情況下，電源輸入來(lái)自2套不同的開關(guān)電源系統(tǒng)，但是由于2套開關(guān)電源系統(tǒng)的輸出控制、電纜線徑長(zhǎng)度等很難保持一致，因此在通信設(shè)備的輸入端將不可避免存在電壓壓差[4]。

開關(guān)電源依靠反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓，當(dāng)輸出電壓或負(fù)載發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可以通過檢測(cè)輸出電壓大小來(lái)反饋電壓的變化程度，從而及時(shí)調(diào)整輸出電壓至正常值。當(dāng)2臺(tái)高頻開關(guān)電源輸出并聯(lián)在一起工作時(shí)，總有一個(gè)輸出電壓高一點(diǎn)，一個(gè)輸出電壓低一點(diǎn)，實(shí)際輸出電壓是2臺(tái)開關(guān)電源輸出電壓的中間值。實(shí)際輸出電壓值反饋到2臺(tái)高頻開關(guān)電源的控制模塊，原先輸出電壓高的以為它輸出的電壓變低了，從而繼續(xù)提高它的輸出電壓；而原先輸出電壓低的電源以為它輸出的電壓變高了，從而繼續(xù)降低它的輸出電壓。經(jīng)過以上控制，導(dǎo)致2臺(tái)開關(guān)電源輸出電壓高的越來(lái)越高，輸出電壓低的越來(lái)越低，壓差不斷增大，直到設(shè)備出現(xiàn)故障。

（2）輸出負(fù)載不均衡。通常情況下，由于電壓壓差的存在，在從2套不同高頻開關(guān)電源里引入直流電的過程當(dāng)中，會(huì)造成負(fù)載電流出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象發(fā)生。電壓高的直流電源系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)載的電流大，電壓低的直流電源系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)載的電流小。當(dāng)壓差大于一定值時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)1臺(tái)設(shè)備承擔(dān)全部負(fù)荷電流的情況。極端情況下，電壓高的直流電源系統(tǒng)甚至?xí)霈F(xiàn)向電壓低的直流電源系統(tǒng)倒灌電流，造成供電回路中的空開跳閘、熔絲熔斷及電纜過熱進(jìn)而引起火災(zāi)等危險(xiǎn)情況發(fā)生[4]。

（3）違反蓄電池使用規(guī)定。目前通信機(jī)房大都使用的是閥控密封鉛酸蓄電池。根據(jù)其維護(hù)要求，一般要求同1臺(tái)高頻開關(guān)電源所帶的2組蓄電池組是同一品牌、同一型號(hào)、同一批次的蓄電池，且新舊蓄電池不能混用。如果違反，將大大縮短蓄電池的使用壽命。根據(jù)雙電源雙路由供電模式原理圖可以看出，2臺(tái)高頻開關(guān)電源各帶2組蓄電池組，但是通過高頻開關(guān)電源內(nèi)部的匯流母排和通信設(shè)備內(nèi)部的輸入母排，實(shí)際上4組蓄電池組是并聯(lián)在一起，這就導(dǎo)致了不同品牌、不同型號(hào)、不同批次、且新舊不一的蓄電池混合使用，將嚴(yán)重縮短蓄電池的使用壽命。

3.2 雙路隔離

為真正實(shí)現(xiàn)雙設(shè)備雙路徑供電保障，解決不同類型高頻開關(guān)電源電壓差與負(fù)載均流等各種問題，關(guān)鍵是在通信設(shè)備電源輸入端實(shí)現(xiàn)物理隔離。

華為Optix OSN8800/6800光傳輸設(shè)備是電源輸入端物理隔離的代表，其采用是獨(dú)立鏈路電源接入的方式。在設(shè)備供電中，采用兩分區(qū)均衡供電，即左區(qū)供電和右區(qū)供電，或者東向供電和西向供電，每個(gè)區(qū)需1路主用供電、1路備用供電[5]。從設(shè)備總輸入路數(shù)上看，1臺(tái)OSN6800設(shè)備直流配電總共需要8路輸入。但是究其實(shí)質(zhì)，簡(jiǎn)化到設(shè)備每一塊板件上還是1主1備2路輸入。直流雙電源雙路獨(dú)立供電模式如圖4所示。

圖4 直流雙電源雙路獨(dú)立供電模式

如圖4所示，每個(gè)分區(qū)通過2塊電源板各接入1套高頻開關(guān)電源，2塊電源接入板互為熱備份。通信設(shè)備電源接入板將完成對(duì)外部電源的防護(hù)、濾波處理，然后母板獲得標(biāo)準(zhǔn)-48V電源，同時(shí)采用隔離二極管合路后通過DC/DC電源模塊和電源芯片進(jìn)行變換得到各器件需要的多種電壓。

通過加裝隔離模塊，有效地避免了2臺(tái)高頻開關(guān)電源并聯(lián)工作時(shí)的各種問題。當(dāng)采用這種方式時(shí)，供電保障可靠性得到了極大的提高，并且解決了其他供電模式存在的弊端，有效增強(qiáng)了通信設(shè)備供電保障安全，真正地實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定可靠供電。

4 結(jié) 論

對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，供電保障牽一發(fā)而動(dòng)全身，如何避免電源設(shè)備自身故障對(duì)通信設(shè)備運(yùn)行造成影響，進(jìn)一步提高供電保障可靠性，這是通信電源專業(yè)一直探索的方向。信息業(yè)務(wù)大發(fā)展對(duì)信息傳遞處理的穩(wěn)定性、可靠性提出了更高的要求，同時(shí)也給通信電源自身穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著信息通信設(shè)備供電需求的不斷發(fā)展，與之相適應(yīng)的直流供電模式也不斷改變。通過實(shí)踐的檢驗(yàn)，直流雙電源雙路徑供電方式的配置運(yùn)行是保障當(dāng)前信息通信設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的最佳模式，大大提高了電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。