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如何為通信電源系統選擇整流模塊?

技術中心

Technology

如何為通信電源系統選擇整流模塊?

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/03/23
瀏覽量
摘要:
過去,大的壟斷性的電信公司常常選擇冗余量很大的系統方案。但是,隨著全球性市場競爭的日趨激烈,這種選擇方式是不可取的。為了優化一個電源供電方案,有必要仔細考察許多相關因素,包括產品性能與價格問題,這樣才能以最經濟的方式滿足最終用戶的要求。
各國在法律上不斷對產品的安全性和EMC提出新的要求,使得對電源的要求更加苛刻。因此,為用戶提供最優方案是必要的,但是,為此從頭開始設計每一個系統卻是不可行的。可行的是使用標準組什來配置系統。
    整流模塊是電源的心臟,模塊選擇不當,則很難提供最優的電源系統配置。本文研究了與模塊有關的許多因素,并提供了選擇通信電源系統整流模塊的方法。本文涉及范圍僅限于單相0.2—6kW的整流模塊,但許多思路可應用在其他電源上。

冷卻方式:
l.l風冷和自冷的選擇
冷卻方式對整流模塊的選擇有非常大的影響。有些系統要求自然冷卻(簡稱自冷).有些則可以接受風扇冷卻(簡稱風冷)。在同樣功率、同等條件下,風冷和自冷模塊的最大區別在于外形大小及成本多少。大的西方電信公司傳統卜選擇自然冷卻,這樣叫得到較長的產品壽命,明顯低的維護成本,電源的初始成本也不象現在這么貴(現在自冷的模塊很貴)。這樣,選擇冗余量很大的系統方案也可以接受,它可以更加安全地供電。
風冷模塊在成本和尺寸上的優勢被他的缺點所抵消(如噪音、灰塵、風扇壽命和可靠性),但實際上,這些缺點并不是最首要考慮的問題。一個外殼設計得很糟糕的白冷模塊的可靠性比采用風冷的模塊要低得多,因為風冷模塊的冷卻與外殼設計無關。另外,風冷產品的關鍵——半導體器件比自冷系統溫升更低,因而更可靠。
要求設計壽命超過7年時,傳統上不采用風扇。但是,如果允許定期更換風扇,就有可能得到設計壽命更長的風冷系統。若風冷整流模塊設計成具有風扇性能監測、現場易于更換風扇,則允許系統以低成本獲得高可靠性。20多年來對整流模塊既要經濟、又要長壽命的要求是風冷產品得以生存的條件。
除了風冷和自冷技術外,另外兩種技術即外部系統冷卻和輔助冷卻也越來越流行。
1.2外部系統冷卻   
外部系統冷卻是指由中央冷卻裝置提供空氣流對整流模塊進行冷卻。這可以得到高功率密度,且避免了模塊電源內裝風扇帶來的一微缺點。在0FM應用中把電源系統集成到整個通信系統中去.會給供應商帶來顯著益處。例如,中央冷卻裝置不僅給電源系統提供空氣流,而且也冷卻通信系統的其它部分。一個系統中只有一個中央冷卻裝置需要維護,當中央冷卻裝置發生故障時電源仍能輸出能量(約為滿載時的60%)。
l.3輔助風冷
輔助風冷是指模塊的冷卻是由間斷運行的風扇提供的。如果溫度過高或持續輸出大電流時,風扇就會運轉。采用這種方式可以獲得很高的系統集成度,但需要經常讓風扇運轉并定期檢測其性能。如果風扇工作小正常,就會發出報警信號。該方法的好處如下:
    1)在不更換的情況下,風扇間斷運轉使得系統設計壽命比模塊內強制風冷要長;
    2)如果考慮冗余和電池充電,在正常情況下模塊內的風扇不運轉;
    3)由于風扇間斷運行,灰塵和噪音問題也大大緩解。
輸入電壓范圍的選擇
為特定的應用場合選擇正確的輸入電壓范圍越來越重要。在英國,過去通常定義輸入電壓范圍在216~264V(即240V的基數卜有±10%的波動)。現在趨向采用適合于全世界的通用電壓范圍85~264v(或更寬)。在實際應用中兩個極端值(85V和264v)都小是最合適的。
為了滿足對網側諧波的要求,開發了具有110V輸入功率因數校正電路的整流模塊,從而使產品具有全球通用的輸入電壓范圍。
  選擇帶功率因數校正的、通用輸入的模塊無疑是正確的,但對于同定安裝來說,仔細選擇輸入電壓范圍會有很大好處。在寬電壓范圍內要提供安全的性能將會給整流模塊帶來成本和尺寸上的顯著增加。這也會影響系統冷卻。實際應用中整流模塊工作在85V輸入電壓時的損耗是230V時的2倍。
  顯然,有時必須在寬電壓范圍內提供完全的性能。但是在某些場合,當輸入電壓低于閾值時只要求在短時間內提供完全性能,這樣就不需要處理散熱問題,從而顯著地降低了成本和縮小了體積。
如果系統工作在115V額定輸入電壓下,那么運行在103 5v(即115V—115v×10%)時的損耗與運行在85V時的損耗相差15%。
溫度范圍:
通信設備的運行溫度范圍是非常重要的參數。一些設備要求工作在室溫下,而另些設備要求工作在很寬的溫度范圍內(如-40℃~+65℃)。仔細考慮溫度和散熱對于系統的可靠和有效運行非常重要。如果實際要求電源系統工作在寬溫度范圍內,顯然,保證系統中的所有元器件可靠地工作是很必要的。為達到這一目的并最大限度減少成本,應仔細估算在兩個極端溫度點處是否需要達到完全的性能指標,即在很低的溫度下完全達到常溫時的系統指標是否必要?在很高的溫度時是否有必要提供最大的功率輸出。實際上,在極端溫度點處對模塊的要求越低,系統就可能越經濟。
一些設備在很低的溫度F運行時,如果有些特性可以降低要求,成本將顯著降低。要求電源系統在如此低的溫度下工作,往往是因為設備在冷天閑置段時間后需要可靠地起動。實際上,系統在起動一段時間以后由于自身發熱溫度會上升。放松在低溫時對非關鍵參數的要求(如輸出噪音、輔助特性)對降低模塊成本有好處。實際應用中,如果規定模塊可以在最低溫度下起動和在較高一些溫度下完全達到指標地工作是很有好處的。
如果要求在高溫環境下工作,一般電源高于一定溫度值時其功率額定值會降低。即在溫升20℃時輸出功率減少30%。
這種對輸出能力的限制可解釋為在傳統電源系統的初期設計階段,負載要求電源在電壓控制模式下運行;只有運行出現故障時才需要限流。當電池處于高度充電狀態時,整流模塊的輸出須在恒壓下運行;只有運行出現故障時才需要限流。但當電池剛開始充電時,模塊需在恒流狀態下持續運行一定的時間。如果采用溫度降額(即溫度升高額定功率降低),必須同時減少限流點(保證在限流時安全運行)以確保模塊在最差的環境溫度條件下其功率容量不會超出設計值。實際上要在高溫下運行,整流模塊的限流點比在較低溫度條件下運行時的限流點更低。
在實際應用中,工作環境溫度會因氣候及系統的運行條件的變化而變化。整流模塊一般不會在其指定的最高環境溫度條件下持續運行相當長時間。如果模塊限制的溫度適當,就能在大多數運行情況下,只對模塊在最高環境溫度時的容量作限制,使電源系統的功率最大化(特別是當模塊的輸入電壓偏向下限時)。如果要限制模塊的輸出容量,以滿足在最高環境下能在正常的功率范圍內安全運行,可在模塊內安裝適合的溫度監控系統,在較低溫的條件下可自動提供更大的功率。
在具體應用中有可能不允許經常因為溫度過高而降額輸出,但是如果仔細研究最高溫時的最低要求,就可以判斷是否可以采用這一功能。例如:
 1)在最高運行溫度時是否需要系統提供電池再充電電流或是否可以接受更長的再充電時間;
2)在最高環境溫度下系統的一些特性能否被抑制以減少最大電流的需要;
3)在最高環境溫度下系統冗余能否消除。
如果整流模塊的溫度與限流性能相關聯,那會帶來非常顯著的益處。這一特征可以和部分恒功率特性組合起來,這樣就可以盡可能地發揮它的優勢。同時要注意的是,在高溫時,帶溫度限流的模塊由于輸入電壓使得功率損耗變化,這樣,系統在標稱電壓左右工作時比在晟低輸入電壓工作時,能提供更大的電流容量。

功能和信號的增加
最簡單的整流模塊僅僅是給通信系統供電。但實際應用時,需要模塊能提供更多的報警信號或輔助功能。有時模塊只提供一路“輸出正常”或“模塊失效”信號就夠了,但有時必須提供很復雜的信號,并在模塊上帶顯示。
設計靈活的整流模塊可根據用戶的需要而隨意改變和擴充信弓,而不需要時電源的核心作變動。這個辦法使只需要簡單功能模塊的用戶不需要花錢購買不必要的性能。
帶智能信號的模塊已越來越受歡迎,這使終端用戶更容易編程控制。同時也使摸塊更容易適應不同用戶的要求。智能信號可幫助廠商降低成本,減少維修程序,也減少了劉勞動力的需要。
在整流模塊中越來越普遍使用的信號是:
    1)輸出電流信號;
    2)限流可編程;
    3)強制均流;
    4)電池溫度補償。
  一個使電源系統簡化的新功能是整流器內置低壓斷開裝置。這一功能會在市電斷電一段時間后電池電壓低于閾值時發揮作用,這就防止了電池的永久性損壞。在較小的系統中,如由2個模塊并聯的(1+1)系統,每個模塊都內置一個低壓斷開裝置便很理想,這會使系統特別簡單,只有2個整流器,一個電池和一個電池保險。如果是大量模塊并聯的系統,在每個模塊內置低壓斷開裝置則很不實際,這時選用系統解決辦法更合適。

小結:
許多相互關聯的因素會影響對通信用整流模塊的選擇。如果在最壞故障條件下設定整流器的技術指標,系統將具有比實際需要更大的容量。
冷卻方式的選擇會影響整流器的物理尺寸,最高達2.5倍。
模塊內的功耗會隨著輸入電壓的下降而明顯增加,因此,優化配置系統時認真設定輸入電壓的技術指標非常重要。
靈活分析限流特性溫度以確保在高溫條件下提供足夠的容量。
整流模塊內的功能增強在很大程度上簡化了電源系統,并使系統維修簡易。
總之,影響優化選擇通信電源系統整流模塊的因素很多(比文中提到的更多)。要優化配置一個電源,就必須全面了解整個系統。
 

 

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