美国ＡＰＣ公司 阿兰·高比(英)
摘 要:研究了模块冷却方式、输入电压范围、输出限流特性和运行温度范围等多种因素对选择电源系统方案的重要影响。
关键词:冷却 电压 温度 限流 连接性
整流模块是电源系统的心脏。选的模块不正确，很难提供最优的电源系统配置。本文研究了与模块有关的因素以及模块的运行环境，并从逻辑上提供选择通信电源系统整流模块的方法。本文涉及范围仅限于单相200Ｗ～6ｋＷ的整流模块。
1 冷却方式
一个系统的冷却方式对整流模块的选择有非常大的影响。目前主要有以下几种方式。
1.1 风冷和自冷
自冷就是自然冷却，风冷是指用风扇冷却。在同样功率、同等条件下，风冷和自冷模块的最大区别在外形大小及成本高低上。国外大的电信公司传统上选择自然冷却，这样可得到很长的产品寿命，降低维护成本。
风冷模块在成本和尺寸上的优势可以抵消它的缺点（如噪音、灰尘、风扇寿命和可靠性）。风冷模块的冷却与外壳设计无关，而自然冷却系统对外壳要求较高；另外，风冷产品的关键半导体器件比自冷系统温升更低，因而更可靠。
1.2 外部系统冷却
外部系统冷却是指由系统机架提供空气流对整流模块进行冷却。这种方法可以得到高功率密度，而且避免了模块内装风扇带来的一些缺点。这给ＯＥＭ应用中把电源系统集成到整个通信系统中去的供应商带来显著益处。比如：系统机架上的冷却装置可以多功能应用，不仅给电源系统提供空气流，也给其他部分的通信系统冷却；一个系统中只有一个中央冷却装置要维护，而不是每一个系统组成部分的风扇都要维护；系统风扇故障后电源仍能输出能量（约为满载时的60％）。
1.3 辅助风冷
辅助风冷指模块的冷却由间隔运行的风扇提供。如果温度过高或持续输出大电流，风扇就会运转。采用这种方式可以获得很高的系统集成度，但要经常让风扇运转并定期检测其性能。如果风扇工作不正常，就会产生告警信号。采用辅助风冷的好处有：
（1）在不更换的情况下，风扇间隔运转使得系统设计寿命比模块内强制风冷要长。
（2）如果考虑冗余和电池充电，在正常情况下模块内的风扇不转。
（3）由于风扇间隔运行，灰尘和噪音问题也大大缓减。
2 输入电压
为特定的应用场合选择正确的输入电压范围变得越来越重要。在英国，过去通常定义输入电压范围为216～264Ｖ （即240Ｖ±10％）。现在在某些领域正趋向采用适合于全世界通用的电压范围：85～264Ｖ（或更宽）。在实际应用中两个极端值（85Ｖ和264Ｖ）都不是最合适的。
为了满足国际上规定的对输入谐波的要求，产生了具有110Ｖ输入功率因素校正电路的整流模块，从而使产品具有全球通用输入电压范围。对于可移动设备市场或全球性使用设备市场而言，选择带功率因素校正的通用输入模块无疑是正确的，但对于固定安装来说，仔细选择输入范围会有很大好处。在宽电压范围内要提供完全的性能会使整流模块的成本和尺寸增加，也会影响系统冷却。实际应用中整流模块工作在85Ｖ输入电压时的损耗是230Ｖ时的两倍。
如果系统工作在115Ｖ额定输入电压下，那么运行在103.5Ｖ（115Ｖ－10％）时的损耗与运行在85Ｖ时的损耗相差15％。要求系统在85Ｖ以上能连续工作的系统将比在103.5Ｖ时连续工作的系统要多散失15％的功率。
3 限流特性
通常电源系统在整个电压输出范围内具有恒定值限流特性，短路时输出电压和电流以折线或直线下降，这一传统方式并不理想。仔细考虑负载的所有真实特性可以使系统得到优化。
加在一个通信电源系统上的负载实际上是许多小负载的总和。一些负载是电阻性的，一些是恒电流性的，一些是恒功率性的，电池组也会因充电状态的变化而吸入变化的充电电流。如果系统以工作在最高电池浮充电压下的最大总负载电流（包含电池充电电流）来确定其容量，那么就会富余很多的供电容量。
在现代通信系统中越来越多的设备采用系统内置ＤＣ／ＤＣ变换器，它可以提供不随供电电源输出母线电压变化而变化的恒定直流电压。这种恒功率特性要求在母线电压下降时输入电流增加。如果恒功率负载在55Ｖ时消耗1Ａ，那么在40Ｖ时消耗1.3Ａ；而恒电阻负载在55Ｖ时消耗1Ａ，在40Ｖ时只消耗0.7Ａ。仔细地分析在整个工作电压范围内所有负载的真正情况就会知道，是否可以通过一种不同于传统的恒电流的限流特性来优化系统。下面举例说明。
假设：
Ｉｄ＝40Ｖ时ＤＣ／ＤＣ最大的输入电流
Ｉｒ＝55Ｖ时最大电阻性电流
Ｉｂ＝恒定的电池充电电流
Ｉｔ＝总负载电流
那么在55Ｖ时：Ｉｔ＝Ｉｄ×40／55＋Ｉｒ＋Ｉｂ
在40Ｖ时：Ｉｔ＝Ｉｄ＋Ｉｒ×40／55＋Ｉｂ
假定正常浮充电压为55Ｖ，最低电池电压为40Ｖ。
请看以下两个例子。
例1 设：Ｉｄ＝100Ａ，Ｉｒ＝20Ａ，Ｉｂ＝10Ａ
在55Ｖ时：Ｉｔ＝（100×40／55）＋20＋10＝102.7Ａ，则功率为5.64ｋＷ。 在40Ｖ时：Ｉｔ＝100＋（20×40／55）＋10＝124.5Ａ，则功率为4.98ｋＷ。
例2 设：Ｉｄ＝50Ａ，Ｉｒ＝70Ａ，Ｉｂ＝10Ａ
在55Ｖ时：Ｉｔ＝（50×40／55）＋70＋10＝116.4Ａ，则功率为6.4ｋＷ。
在40Ｖ时：Ｉｔ＝50＋（70×40／55）＋10＝110.9Ａ，则功率为4.44ｋＷ。
在例1中，如果在模块内采用部分恒功率特性电路，可以把最大功率从6.85ｋＷ（124.5×55）缩减到5.64ｋＷ，节省了17％还多。
在例2中，在整个工作电压范围内，电流随着电压的下降而降得很少，所以适合于整流模块内具有恒电流特性的电路。
显示出一个经过优化的输出限流特性曲线的模块，它满足例1的要求。
4 温度范围
通信设备的运行温度范围是非常重要的参数。一些设备要求工作在室温下，而另一些设备要求工作在很宽的温度范围内（如－40℃～＋65℃）。如果实际要求电源系统工作在宽温度范围内，为达到这一目的和最大限度减少成本，应仔细估算在两个极端温度点处是否需要达到完全的性能指标。
4.1 低温时
一些设备要求在很低温度下运行时性能不能打一点折扣，这时系统应能满足所有参数要求。如果有些性能可以降低要求，成本将显著降低。要求电源系统在如此低的温度下工作往往是因为设备在冷天闲置一段时间后需要可靠地启动。实际上，系统在启动一段时间以后由于自身发热温度会上升。
4.2 高温时
如果要求高温环境下工作，一般电源在高于一定温度值时其功率额定值会降低，在温升20℃时，输出功率减少30％。
这种对输出能力的限制可解释为在传统电源系统的初期设计阶段，负载要求电源在电压控制模式下运行；只有运行出现故障时才需要限流。当电池处于高度充电状态时，整流模块的输出需在控制电压下完成；但当电池刚开始充电时，模块需在限流状态下持续运行一定的时间。如果采用温度降额(即温度升高额定输出功率降低)，必须同时减小限流点(保证在限流时安全运行）以确保模块在最差的环境温度条件下其功率容量不会超出设计值。实际上要在高温下运行，整流模块的限流点比在较低温度条件下运行时的限流点更低。
在实际应用中，通常的工作环境温度会因气候的变化和系统的运行条件的变化而变化。整流模块一般不会在其指定的最高环境温度条件下持续运行相当长时间。如果模块限制的温度控制适当，就能在大多数运行情况下，只对模块在最高环境温度时的容量作限制，使电源系统的功率最大化（特别是当模块的输入电压偏向额定范围低端时）。如果要限制模块的输出容量以满足在最高环境温度下能在正常的功率范围内安全运行，可在模块内安装适合的温度管理和监控系统，在较低温的条件下可自动提供更大的功率。
这一特征也可和上面提到过的部分恒功率特性组合起来，这样可以尽可能发挥它的优势。同时要注意的是，在高温时，带温度限流的模块由于输入电压使得功率损耗变化，这样系统在标称电压左右工作时比在最小输入电压工作时能提供更大的电流容量。
5 增加的功能和信号
最简单的整流模块仅仅是给通信系统供电，但实际应用时，往往需要模块能提供更多的告警信号或辅助功能。
有时模块只提供一路“输出正常”或“模块失效”信号就够了，但有时必须提供很复杂的信号，并在模块上显示出来。
带智能信号的模块已越来越受欢迎，这使终端用户更容易编程控制，同时也使模块更容易适应不同用户的要求。在整流模块中越来越普遍使用的信号是：输出电流信号、限流可编程、强制均流、电池温度补偿。
一个使电源系统简化的新功能是整流器内置低压断开装置。这一功能会在市电断电一段时间后电池电压低于阈值时发挥作用，这就防止了电池的永久性损坏。如果是大量模块并联的系统，在每个模块内置低压断开装置很不实际，这时选用系统解决办法更合适。对于较小的系统即2个模块并联（1＋1），每个模块都内置一个低压断开装置很理想。
6 连接性
整流模块和系统需要连接的3个端口是交流输入、直流输出和告警信号。
简单的模块具有连接电源输入输出的螺栓和一个简单的多针信号连接器，但这种连接越来越不受欢迎，因为安装和更换相对比较困难。
当今流行的趋势是“热插拔”模块，它们可自动和交流电源、直流汇流条和各告警监控电路连接，因为模块可以滑进自身的支撑架里。安装和拆卸根本不需要任何技能。带“热插拔”连接的整流器比一般螺钉连接的生产成本更高，但如把安装和维修成本考虑在内，就会便宜了。
还有一些整流模块采用介于以上两种整流模块之间的连接方法。有一种带输入连接器、输出连接器和信号连接器的模块。它在机架安装时，虽然不是自动实现连接，但仍可以称为“热替换”，它在安装和替换时要求掌握更高的技术以确保系统的稳定性。
模块连接性的选择在很大程度上需根据实际应用和地点而定。如果使用地点很远，安装和维修需要技术性很强的人员，这种情况最好选用热插拔模块。如果在技术人员随时可到的地点使用，那么低成本的连接器更实用。
总而言之，影响优化选择通信电源系统整流模块的因素很多，要优化配置一个系统，就必须全面了解整个系统。
