數字控制通訊電源高壓防護研究

張 偉，劉 輝，鄭大成，周華敏

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳518055）

1 通訊電源的高壓防護概述

隨著通訊技術的高速發展，通訊設備對于電力供應系統的要求也日益增高。根據各類應用的具體需要，通訊電源通常組成各種容量的供電系統對通訊設備進行供電。通訊電源的交流輸入通過交流接觸器或空氣開關直接與交流電網相連接，當交流電源輸入產生長期高壓或三相掉零線時，雖然此時電源交流輸入過壓保護沒有功率輸出，但是其輸入電路仍然沒有脫離電網，如果電源或負載系統不采取措施，就會損壞整流橋后面輸出濾波的電解電容，造成電解電容爆裂，甚至引起電源起火，造成負載系統的工作中斷。

通訊電源的高壓防護是為了防止交流輸入電壓過高，造成電源內部器件損壞而采取的一種防護措施。由于成本或技術的問題，大多數通訊電源系統對輸入高壓沒有采取任何保護措施，目前現有的一些電源保護措施主要包括以下兩種：

（1）系統保護方法。當檢測到交流輸入電壓過高或三相掉零線時，利用系統的交流接觸器斷開交流輸入，達到保護電源的目的。這種系統級別的高壓防護方法需要增加一套與電網永久連接的電源及檢測電路和控制電路，不僅成本大大增加，而且也增加了系統的額外功耗，關鍵其本身就存在著高壓防護和可靠性的問題，要求設計余量較大，成本很高。

（2）通訊電源單體自身保護方法。如圖1是一種常用的高壓防護電路，正溫度系數熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient）串入啟動緩沖電路，正常工作后，PTC被與之并聯的繼電器短路。交流輸入過壓時用一個或兩個繼電器將主功率電路斷開，利用PTC發熱時呈高阻狀態的特點，來限制主功率電路的電流和壓降，從而實現對主功率電路整流后濾波電容的過壓保護。雖然該方法成本相對不是很高，但該方法的有兩個缺點：

圖1 傳統高壓防護電路

（1）高壓防護保護速度慢。PTC從發熱使其內阻達到滿足要求需要較長時間，從而導致保護速度長達數秒至數十秒，在這段時間內很容易發生PFC輸出濾波電解電容損壞。而且該方法的保護性能同輸入過壓的大小和過壓保護后負載電流有關。如果過壓或負載電流越大，則當過壓保護時流過PTC的電流也較大，PTC發熱也較快，使得保護速度較快；反之，保護速度較慢。另外當過壓保護時，主功率回路仍然接在交流電網上，繼電器處于間歇式斷開和吸合的工作模式，整流橋后面電解電容上電壓維持在交流輸入過壓的峰值電壓之上和電解電容過壓保護電壓之下，此時電解電容上的電壓應力偏高，不利于長期可靠的工作。

（2）動作時流過繼電器的沖擊電流大，影響繼電器壽命。過壓保護后，由于損耗PFC輸出電壓會恢復到正常電壓。如果此時交流輸入電壓仍然很高時，控制電路使得繼電器K吸合給電解電容C充電，由于交流輸入電壓與電解電容上C的電壓存在很大的電壓差，且兩者之間沒有限流電阻，所以通過繼電器K觸點的電流會很大，觸點多次動作后會損壞。其表現為，第一：繼電器K的觸點可能會因流過的電流太大而粘連不能自動斷開時，此電路的功能就會失效，導致電解電容C損壞；第二：繼電器K的觸點可能會因流過的電流太大而部分損壞，導致觸點的接觸電阻增大。電源正常工作時繼電器K的觸點流過正常的負載電流，因接觸電阻增大而持續發熱，導致繼電器K損壞，電源不能正常工作。

2 高壓防護數字控制系統介紹

通訊電源高壓防護數字控制系統結構框圖如圖2。該控制系統以TI公司的Piccolo系列數字信號控制器DSC（Digital signal controller）芯片TMS320F28 03x為主控芯片，該DSC有如下特性：高效率32位CPU（TMS320C28X內核架構）；可編程的控制加速器功能（CLA）；時鐘支持動態的PLL設置，其內部有看門狗模塊和掉電檢查電路，同時時鐘模塊提供兩種操作模式：晶振操作和外接時鐘源操作；多達45個可獨立編程的、帶有輸入濾波的、多功能復用的通用輸入／輸出口；外設中斷擴展模塊能夠支持所有外圍設備的中斷；具有3個片內32位的CPU定時器；每個ePWM模塊自帶一個獨立的16位定時器；片上存儲器包括：閃速存儲器（FLASH）32K×16、靜態隨機存儲器 （SARAM）10K×16、一次性編程只讀存儲器（OPT）8K×16和只讀存儲器（Boot ROM）8K×16；128位的安全密鑰；串口外圍設備接口；高級的仿真特性；改進型的控制與外設接口。

圖2 高壓防護數字控制系統框圖

通訊電源高壓防護數字控制系統還包括交流電壓采樣電路、PFC輸出電壓采樣電路、高壓防護控制電路和PFC PWM驅動控制電路。數字信號控制器完成輸入交流電壓和PFC輸出電壓的采樣和計算，并根據計算結果對高壓防護電路中的主繼電器K1、輔助繼電器K2及PFC PWM驅動信號進行控制，進而完成高壓防護的功能。

3 高壓防護控制策略

圖2中高壓防護電路由主繼電器K1、輔助繼電器K2和正溫度系數熱敏電阻PTC構成。主繼電器K1常開觸點連接到主電路中，輔助繼電器K2常閉觸點連接到主電路中。

通訊電源高壓防護數字控制系統的軟件設計需要考慮實時性、可靠性同時要盡量少的占用DSC系統資源。軟件設計按照“高內聚，低耦合”的原則將軟件程序劃分為交流輸入電壓有效值計算、PFC輸出電壓Ubus計算、高壓防護控制三個模塊。交流輸入電壓有效值計算通過對一個交流周期內AD采樣值的平方累加和求平均后開方得到，PFC輸出電壓Ubus通過對AD采樣做平均值數字濾波算法得到。高壓防護控制模塊軟件流程如圖3。

圖3 高壓防護控制模塊流程圖

DSC檢測到交流輸入過壓時控制主繼電器K1斷開，DSC檢測到PFC輸出電壓Ubus超過保護值時，控制輔助繼電器K2立即斷開，從而實現對主回路的高壓防護。此外考慮交流輸入電壓或PFC輸出電壓恢復正常時電源可以快速啟動，高壓防護后需保持PFC輸出電壓維持在Ubus過壓恢復點之上，因此高壓防護后當PFC輸出電壓低于Ubus過壓恢復點時輔助繼電器K2需重新閉合。K2閉合后交流輸入通過PTC和K2為PFC輸出電容充電，當PFC輸出電壓達到Ubus過壓保護點時，輔助繼電器K2再次斷開。

交流輸入電壓正常時，輔助繼電器K2吸合，通過PTC電阻給電解電容充電，此時的充電電流限定在預定范圍內，當DSC檢測到電解電容上的電壓與交流輸入電壓峰值接近時主繼電器K1才吸合。這樣可以減小閉合繼電器時的沖擊電流。

4 實驗結果

對采用本文所述高壓防護電路及控制方法的數字通訊電源進行了高壓防護功能的實驗驗證。圖4為交流輸入電壓在正常范圍時主繼電器K1驅動（驅動為低電平主繼電器斷開，驅動為高電平主繼電器閉合），輔助繼電器K2驅動（驅動為低電平輔助繼電器閉合，驅動高電平輔助繼電器斷開），輸入電流（用于觀測流過繼電器的電流），PFC輸出電壓的波形。圖5為交流輸入過壓時的波形。從圖4、圖5波形可以看到采用高壓防護策略后有效地將PFC輸出電壓控制在PFC輸出電容耐壓值之下，而且在繼電器動作過程中流過繼電器的電流沒有超過設計范圍，從而保證了PFC輸出電容和繼電器的可靠性。

圖4 交流輸入正常時波形

圖5 交流輸入過壓時波形

5 結語

本文分析了不同通訊電源高壓防護電路的優劣，給出了一種數字控制通訊電源交流輸入高壓防護電路及其控制方法。該方法通過檢測交流輸入電壓和PFC輸出電壓狀況做出智能判斷，控制主繼電器和輔助繼電器的斷開和吸合狀態，并通過實驗驗證其功能符合高壓防護要求，解決了通訊電源高壓防護時的可靠性問題。采用該電路及控制策略的通訊電源已批量生產，運行穩定，高壓防護效果良好。

［1］YDT731－2008.通信用高頻開關整流器［S］.2008.

［2］江思敏.TMS320C2000系列DSP開發應用技巧［M］.北京：中國電力出版社，2008.