數(shù)字控制通訊電源高壓防護(hù)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(hù)概述

隨著通訊技術(shù)的高速發(fā)展，通訊設(shè)備對于電力供應(yīng)系統(tǒng)的要求也日益增高。根據(jù)各類應(yīng)用的具體需要，通訊電源通常組成各種容量的供電系統(tǒng)對通訊設(shè)備進(jìn)行供電。通訊電源的交流輸入通過交流接觸器或空氣開關(guān)直接與交流電網(wǎng)相連接，當(dāng)交流電源輸入產(chǎn)生長期高壓或三相掉零線時(shí)，雖然此時(shí)電源交流輸入過壓保護(hù)沒有功率輸出，但是其輸入電路仍然沒有脫離電網(wǎng)，如果電源或負(fù)載系統(tǒng)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(fù)載系統(tǒng)的工作中斷。

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

（1）系統(tǒng)保護(hù)方法。當(dāng)檢測到交流輸入電壓過高或三相掉零線時(shí)，利用系統(tǒng)的交流接觸器斷開交流輸入，達(dá)到保護(hù)電源的目的。這種系統(tǒng)級別的高壓防護(hù)方法需要增加一套與電網(wǎng)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(tǒng)的額外功耗，關(guān)鍵其本身就存在著高壓防護(hù)和可靠性的問題，要求設(shè)計(jì)余量較大，成本很高。

（2）通訊電源單體自身保護(hù)方法。如圖1是一種常用的高壓防護(hù)電路，正溫度系數(shù)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(lián)的繼電器短路。交流輸入過壓時(shí)用一個(gè)或兩個(gè)繼電器將主功率電路斷開，利用PTC發(fā)熱時(shí)呈高阻狀態(tài)的特點(diǎn)，來限制主功率電路的電流和壓降，從而實(shí)現(xiàn)對主功率電路整流后濾波電容的過壓保護(hù)。雖然該方法成本相對不是很高，但該方法的有兩個(gè)缺點(diǎn)：

圖1 傳統(tǒng)高壓防護(hù)電路

（1）高壓防護(hù)保護(hù)速度慢。PTC從發(fā)熱使其內(nèi)阻達(dá)到滿足要求需要較長時(shí)間，從而導(dǎo)致保護(hù)速度長達(dá)數(shù)秒至數(shù)十秒，在這段時(shí)間內(nèi)很容易發(fā)生PFC輸出濾波電解電容損壞。而且該方法的保護(hù)性能同輸入過壓的大小和過壓保護(hù)后負(fù)載電流有關(guān)。如果過壓或負(fù)載電流越大，則當(dāng)過壓保護(hù)時(shí)流過PTC的電流也較大，PTC發(fā)熱也較快，使得保護(hù)速度較快；反之，保護(hù)速度較慢。另外當(dāng)過壓保護(hù)時(shí)，主功率回路仍然接在交流電網(wǎng)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(hù)電壓之下，此時(shí)電解電容上的電壓應(yīng)力偏高，不利于長期可靠的工作。

（2）動作時(shí)流過繼電器的沖擊電流大，影響繼電器壽命。過壓保護(hù)后，由于損耗PFC輸出電壓會恢復(fù)到正常電壓。如果此時(shí)交流輸入電壓仍然很高時(shí)，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(diǎn)的電流會很大，觸點(diǎn)多次動作后會損壞。其表現(xiàn)為，第一：繼電器K的觸點(diǎn)可能會因流過的電流太大而粘連不能自動斷開時(shí)，此電路的功能就會失效，導(dǎo)致電解電容C損壞；第二：繼電器K的觸點(diǎn)可能會因流過的電流太大而部分損壞，導(dǎo)致觸點(diǎn)的接觸電阻增大。電源正常工作時(shí)繼電器K的觸點(diǎn)流過正常的負(fù)載電流，因接觸電阻增大而持續(xù)發(fā)熱，導(dǎo)致繼電器K損壞，電源不能正常工作。

2 高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)介紹

通訊電源高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2。該控制系統(tǒng)以TI公司的Piccolo系列數(shù)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(nèi)核架構(gòu)）；可編程的控制加速器功能（CLA）；時(shí)鐘支持動態(tài)的PLL設(shè)置，其內(nèi)部有看門狗模塊和掉電檢查電路，同時(shí)時(shí)鐘模塊提供兩種操作模式：晶振操作和外接時(shí)鐘源操作；多達(dá)45個(gè)可獨(dú)立編程的、帶有輸入濾波的、多功能復(fù)用的通用輸入／輸出口；外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊能夠支持所有外圍設(shè)備的中斷；具有3個(gè)片內(nèi)32位的CPU定時(shí)器；每個(gè)ePWM模塊自帶一個(gè)獨(dú)立的16位定時(shí)器；片上存儲器包括：閃速存儲器（FLASH）32K×16、靜態(tài)隨機(jī)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(shè)備接口；高級的仿真特性；改進(jìn)型的控制與外設(shè)接口。

圖2 高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

通訊電源高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)還包括交流電壓采樣電路、PFC輸出電壓采樣電路、高壓防護(hù)控制電路和PFC PWM驅(qū)動控制電路。數(shù)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(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對高壓防護(hù)電路中的主繼電器K1、輔助繼電器K2及PFC PWM驅(qū)動信號進(jìn)行控制，進(jìn)而完成高壓防護(hù)的功能。

3 高壓防護(hù)控制策略

圖2中高壓防護(hù)電路由主繼電器K1、輔助繼電器K2和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC構(gòu)成。主繼電器K1常開觸點(diǎn)連接到主電路中，輔助繼電器K2常閉觸點(diǎn)連接到主電路中。

通訊電源高壓防護(hù)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)時(shí)性、可靠性同時(shí)要盡量少的占用DSC系統(tǒng)資源。軟件設(shè)計(jì)按照“高內(nèi)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(jì)算、PFC輸出電壓Ubus計(jì)算、高壓防護(hù)控制三個(gè)模塊。交流輸入電壓有效值計(jì)算通過對一個(gè)交流周期內(nèi)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(shù)字濾波算法得到。高壓防護(hù)控制模塊軟件流程如圖3。

圖3 高壓防護(hù)控制模塊流程圖

DSC檢測到交流輸入過壓時(shí)控制主繼電器K1斷開，DSC檢測到PFC輸出電壓Ubus超過保護(hù)值時(shí)，控制輔助繼電器K2立即斷開，從而實(shí)現(xiàn)對主回路的高壓防護(hù)。此外考慮交流輸入電壓或PFC輸出電壓恢復(fù)正常時(shí)電源可以快速啟動，高壓防護(hù)后需保持PFC輸出電壓維持在Ubus過壓恢復(fù)點(diǎn)之上，因此高壓防護(hù)后當(dāng)PFC輸出電壓低于Ubus過壓恢復(fù)點(diǎn)時(shí)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(dāng)PFC輸出電壓達(dá)到Ubus過壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)，輔助繼電器K2再次斷開。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對采用本文所述高壓防護(hù)電路及控制方法的數(shù)字通訊電源進(jìn)行了高壓防護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4為交流輸入電壓在正常范圍時(shí)主繼電器K1驅(qū)動（驅(qū)動為低電平主繼電器斷開，驅(qū)動為高電平主繼電器閉合），輔助繼電器K2驅(qū)動（驅(qū)動為低電平輔助繼電器閉合，驅(qū)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(shí)的波形。從圖4、圖5波形可以看到采用高壓防護(hù)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(shè)計(jì)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(shí)波形

圖5 交流輸入過壓時(shí)波形

5 結(jié)語

本文分析了不同通訊電源高壓防護(hù)電路的優(yōu)劣，給出了一種數(shù)字控制通訊電源交流輸入高壓防護(hù)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(tài)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能符合高壓防護(hù)要求，解決了通訊電源高壓防護(hù)時(shí)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(chǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定，高壓防護(hù)效果良好。

［1］YDT731－2008.通信用高頻開關(guān)整流器［S］.2008.

［2］江思敏.TMS320C2000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧［M］.北京：中國電力出版社，2008.