通信平臺中的高可靠電源模塊設計研究

劉學鋼

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

在工業化發展期間，大功率設備應用廣泛，對電源模塊的可靠性提出了更高要求。尤其對于通信平臺而言，為滿足通信需求，通信平臺對電源模塊的依賴程度較高，在長期發展中，電源模塊已成為通信平臺正常運行的核心裝置。為滿足各行各業對電源模塊的要求，高性能和高頻化已成為電源模塊主要設計目標，在本次研究中將結合某通信平臺對冗余電源模塊的高可靠要求展開設計分析。

1 電源模塊分類

電源模塊隨著電子行業的發展，其種類逐漸豐富，用以滿足不同應用場景。在電源模塊應用時，需結合自身需求選擇適宜類型。以電源模塊輸入輸出類型為指標，可分為直流輸入DC-DC電源模塊、交流輸入AC-DC電源模塊以及DC-AC逆變電源。以電源模塊輸出功率為依據，DC-DC電源模塊可分為微、小、中、大功率，功率范圍分別為0.1～3 W、1～30 W、50～200 W、＞200 W，而AC-DC電源模塊可進一步劃分為小、中、大功率，功率范圍分別為3～36 W、50～3 200 W、＞200 W。以輸入電壓范圍為依據進行劃分，DC-DC電源模塊可細分為寬范圍電壓輸入、穩定電壓輸入以及超寬電壓輸入，而AC-DC電源模塊可分為三相四線制輸入（380 V交流）、其他交流電壓輸入以及常規輸入（85～265 V交流）。以輸出精度為劃分依據，可將DC-DC電源模塊劃分為可調輸出、穩壓輸出以及非穩壓輸出，而AC-DC電源模塊僅可分為可調輸出和穩壓輸出兩種。此外，將應用場合作為劃分依據，可分為通信電源、電力電源、民用電源、軍用電源、醫療電源、航天電源以及工業電源等[1]。電源模塊具有體積小、易更換以及性能優異等特點，部分類型電源模塊可實現冗余供電，其種類雖多，但多為開關電源設計，并滿足不同場景下的電源模塊需求。

2 通信平臺電源模塊設計實例分析

所選用設計實例為軌道交通通信平臺，其對電源模塊設計提出了更高的可靠性要求，且需電源模塊具有冗余電源設計，具有兩種直流電壓。為滿足該通信平臺要求，以下展開針對性電源模塊設計[2]。

2.1 明確整體框架

圖1為本次電源模塊設計框架，為滿足該通信平臺要求，采用220 V和48 V兩種直流電壓，同時該通信平臺對輸出功率具有較高標準。在本次設計中，直流220 V和直流48 V對應輸出功率需不低于2 000 W和600 W，為高功率設計。在整體設計中，從直流220 V和直流48 V兩個角度進行設計，其中直流220 V電路包括整流電路、開關控制電路、濾波電路以及開關等，而直流48 V電路需考慮轉換電路、濾波電路以及輸入保護等，兩種輸出電路需實現負載共享。為實現電源模塊高可靠目標，需額外注意各類電路的控制工作，并結合其對冗余電源模塊的要求科學設計冗余電路[3]。

圖1 電源模塊設計框架

2.2 主電路設計

2.2.1 直流220 V主電路設計

在直流220 V主電路設計中，為保障電源模塊整體功能，需盡可能降低電路噪聲及紋波，將濾波電路加入到電路輸入端。采用LC-π型濾波電路，該濾波電路雖具有沖擊電流大的缺點，但可靠性優點較為突出，因此在本次高可靠電源模塊設計中選用該型號的濾波電路最為適宜。過載、過壓以及短路問題為常見電源模塊的故障形式，極大影響了電源模塊的穩定性和可靠性。為杜絕以上故障問題，在本次直流220 V主電路中采用固態繼電器，用以控制交流220 V輸入端，此外電路外部具有控制板卡，可識別過載、過壓以及短路問題，并向電源模塊傳遞開關控制信號，此時固態繼電器開關將斷開，關閉輸出，確保電路效果。固態繼電器具有高可靠、抗干擾、觸點反應快以及壽命長的優點，還具有較強的防腐蝕、防爆及耐沖擊能力。運用微小信號驅動電流負載，在該通信平臺電源模塊設計背景下，運用固態繼電器可滿足設計要求，最大程度保障電源模塊可靠性。橋式、全波以及半波為當前最常用的整流電路形式，在本次電源模塊設計中選用橋式整流電路（具體如圖2所示），此外該通信平臺電源模塊為高功率設計，電源功率要求較高，因此采用高功率橋式整流器，正向電壓和反向峰值電壓分別為1.1 V、1 kV，正向電流和最大浪涌電流分別為15 A、300 A，以此滿足電源模塊對輸出能力的要求，提高電源模塊設計效果[4]。

圖2 電源模塊中的橋式整流電路

2.2.2 直流48 V主電路設計

直流48 V主電路設計需考慮濾波電路及輸入保護。產生過載、過壓以及短路問題時，電路內將因電流過大而導致保險絲溫度過高，并進入高阻態狀態，此時電路電流將關斷。為提升電路整體性能，可采用PTC自恢復保險絲。當過載、過壓以及短路問題排除后，保險絲可自主恢復至常規狀態，使電源模塊電路及時運轉，提升電源模塊可靠性。直流48 V主電路中的濾波電路與上述直流220 V主電路類似，采用LC-π型濾波電路，最大程度確保電源模塊可靠性。保障電源模塊整體性能，需通過轉換電路將交流220 V轉變為直流48 V，滿足電源模塊設計要求。此外，在本次設計中，AC-DC電源模塊功率為700 W，寬輸入范圍為交流85～264 V，高功率因數及高效率參數分別為99%、98%，功能全面，可實現輸出過壓保護、欠壓封鎖保護以及過流保護，以此提升電路穩定性。同時本次電源轉換模塊選用COSEL公司產品，具有去耦電容、輸入輸出濾波電容、限流電阻、放電電阻以及整流二極管等元件。其中，去耦電容主要為抵御電磁輻射高頻干擾；輸入輸出濾波電容可進行濾波，保障電路穩定；限流電阻具有熱熔斷功能及限流功能，可良好控制機溫度，避免因高溫問題損壞電源，確保電源可靠性；電源模塊內部存有電荷，使用者易受到觸電威脅，而放電電阻可避免電荷對使用者造成損傷，提升電源模塊安全性；放電電阻串聯設置進行分壓，以此避免放電電阻造成功率損耗；整流二極管為并聯分流設置，主要作為保護元件，降低損壞率，并實現冗余并聯N+1功能，全方位保障線路穩定[5]。通過合理的電子元件選用確保電源模塊可靠性。

3 提升通信平臺電源模塊可靠性的設計方法

為進一步提升電源模塊可靠性，以下從開關控制電路、電壓采集電路、冗余電源設計以及模塊散熱設計4個方面展開介紹，以總體設計框架為依據，從不同角度確保設計可靠性。

3.1 開關控制電路

從上述設計分析中可知，在本次電源模塊設計中，通過固態繼電器關斷故障時的220 V直流電壓起到防護效果。為保障固態繼電器功能完整，當故障發生時保護電路，本次設計中運用光耦合器，用以控制固態繼電器狀態，將外部信號傳遞至固態繼電器，構建開關控制電路。選用光耦合器的原因主要在于其抗干擾效果優異、傳輸效率高，且可在輸出端和輸入端間構建電氣隔離，極大保障電源模塊穩定性，促進高可靠電源模塊設計目標的實現[6]。

3.2 電壓采集電路

過載、過壓以及短路等問題故障可極大影響電源模塊穩定性，故障發生時需第一時間處理。為確保電源模塊運維人員可及時發現故障問題，在本次電源模塊設計中增設電壓采集電路，并連接外部設備，可提供直流電壓。了解電源模塊實時狀態，便于運維人員第一時間處理解決故障問題，提升電源模塊可靠性[7]。

3.3 冗余電源設計

通信平臺長時間工作運行對電源模塊的穩定性和可靠性提出了高標準，為滿足通信平臺對冗余電源的要求，本次將針對該通信平臺進行專項設計，確保電源模塊穩定性。在當前冗余電源模塊設計中，通常配備兩個及其以上電源，若某電源在運行期間發生故障問題，則不會干擾其他電源，以此維持通信平臺正常工作，實現無間斷運行。此外，故障電源可在不影響整個通信平臺系統基礎上進行更換[8]。容量冗余、冗余備份（冗余冷備份、冗余熱備份）以及并聯N+1備份為常用電源冗余方式。其中，冗余冷備份主要指通信平臺在工作期間僅有單一模塊進行供電，其余預備模塊僅可在出現故障問題時啟動，并進入供電狀態。該方式最顯著的缺陷在于電源切換較慢，且在切換期間易出現電源豁口，即設備中斷運行。冗余熱備份指僅單一模塊進行工作，其余模塊為空載狀態，若此時產生故障問題，則空載模塊立即調整為供電狀態。在此過程中，主電源負載較大，易引發故障問題，但具有電壓穩定的優勢[9]。容量冗余指冗余電源模塊負載承擔能力需大于實際負載，若采用容量冗余方式設計電源模塊，則無法解決單點故障問題，與高可靠性目標相悖，應用效果不佳。并聯N+1備份是通過二極管或門電路進行模塊單元并聯，通信平臺運行期間將由各模塊共同供電。在此狀態下，各電源模塊負載均衡，若某一電源模塊出現故障問題，則由其余電源模塊分攤故障模塊的負載，有助于提升電源模塊穩定性。經上述分析，為滿足高可靠性設計要求，本次選用并聯共享負載的形式用以緩解電源負載，此時需確保單個電源模塊規格符合滿負載標準，若發生故障則不會干擾整體供電效果，兼顧并聯N+1備份及冗余熱備份兩種形式優點。

3.4 模塊散熱設計

模塊散熱設計不僅可便于電源模塊散熱，更可降低模塊間的干擾效果。為確保電源模塊整體穩定性，設計期間需最大程度保障兩路直流電路各模塊均勻分布。在PCB板標準范圍內增加間距間隔，電容需與元件緊靠設置，除此之外，由于本次所設計的電源模塊功率較高，其產生的熱量較大且能耗較高，為滿足電源模塊散熱標準，需在高能耗元件外設置散熱片，并于電源模塊機殼內部設置兩個散熱風扇，最大限度控制電源模塊溫度，使電源模塊維持在高可靠性運行狀態下[10]。

4 結 論

電源模塊按不同分類方式分為多種形式，設計通信平臺中的電源模塊時應結合實際需求進行選擇與設計。本次所選用的案例通信平臺中，對可靠性較高的冗余電源模塊具有高標準，設計前依據其實際需求完成整體框架設計，并詳細介紹了設計思路，對電源模塊常見過載、過壓以及短路等問題進行保護，完成設計后進行現場試驗，效果穩定，設計較為成功。