通信電源瞬間短路的解決方案

蔣 瑋

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著我國通信行業的飛速發展，通信系統的穩定可靠運行對國民經濟和國防安全有著越來越大的影響。作為通信系統心臟的通信電源系統對于通信系統的可靠運行起到了決定性作用。電信運營商為了保證通信系統在電源故障情況下也能穩定運行，會為通信電源配上大容量的蓄電池。但是蓄電池只能解決市電和整流系統故障導致無直流輸出的問題，而無法解決電源系統輸出的穩定短路或者暫時短路[1-3]。

1 問題背景

通信設備基本會工作在一定的電壓范圍內，一般為-40～-58 V，過高或過低的電壓都會嚴重影響通信的正常工作。當直流電壓不在這個范圍時，通信設備就會自動關機，直流輸出端或者設備端短路都會使直流母線電壓大幅降低[4,5]。即使是設備端的一個設備出現瞬時短路，都會導致母線電壓降低，從而影響該直流母線上其他供電設備的運行[6]。

蓄電池無法解決直流輸出側的短路故障，相反在短路時蓄電池會釋放出大量能量，使電纜發熱燃燒造成重大的通信事故。對于直流側的永久短路目前沒有什么好的措施，只能通過熔斷保護器件盡量減少短路造成的損失。根據英國國際銅業協會的統計，在發生的短路故障中，70%都是瞬時短路。因此，如果有方法可以解決瞬時短路故障，那么對于通信系統的可靠運行非常有益[7]。

2 解決方案

2.1 高阻方案

2.1.1 高阻供電原理

傳統通信電源供電系統的等效電路如圖1所示。

圖1 直流系統的等效電路框圖

從圖1可以計算在傳統的通信電源供電方式下，直流設備端短路對直流母線電壓的影響。蓄電池電壓Ub=54 V，取蓄電池組綜合內阻Ri=4 mΩ，直流負載電纜電阻Rl=2 mΩ，那么負載短路電流Ishort和短路時的直流母線電壓Ud分別為：

從上面的計算可以看到，直流設備端短路短路時，傳統的通信電源供電系統直流母線電壓下降了2/3，顯然不能滿足通信設備的供電要求。一個設備瞬時的短路故障都會導致整個通信系統的癱瘓。

經過以上分析可以知道直流設備端短路引起直流母線電壓下降的主要原因是直流負載電纜的內阻太小。如果可以增大直流電纜的電阻，這個問題就可以解決。還是以上面的例子，直流負載電纜電阻改為Rl=45 mW，那么負載短路電流Ishort和短路時的直流母線電壓Ud分別為：

直流母線電壓僅下降了4 V左右，能夠滿足通信設備的供電要求。可以通過加長電纜和減小電纜截面積等措施來增大電纜的電阻。

2.1.2 測試結果

測試結果表明，直流設備端短路時電壓降為49 V左右，與上面的計算結果吻合得很好，說明高阻供電原理是可行的。

2.1.3 存在問題

根據工信部《通信用高頻開關組合電源》第4條要求，電源產品工作溫度的范圍為-5～40 ℃。在高溫工作的情況下，高阻片的阻值隨溫度變化較大，在100 ℃時，電阻值會相差8～9 mW左右。在系統滿載時，高阻片發熱嚴重超過了《通信用配電設備》中的要求。《通信用配電設備》中要求電阻發熱器件的溫升不超過135 ℃，但實際測試在30 A下，溫升達到198 ℃。

2.1.4 解決措施

最初設計時用青銅為材料做的高阻片，青銅雖有很好的電阻率，但是電阻溫度系數較大，且電阻值隨溫度變化較大。電阻值隨溫度變化的計算公式為：

式中，α為電阻溫度系數。

Mn的電阻溫度特性非常好，幾乎不隨溫度變化。最終將高阻片改用Cr20 Mn80的銅合金材料，加入Cr元素的原因是它的電阻系數相對較大，可以減少高阻片的體積。整改后，實際測量高阻片的電阻幾乎不隨溫度變化。

高阻片是個發熱器件，其散熱靠的是空氣自然冷，散熱條件不好導致高阻片溫升偏高。其在空氣中的散熱主要通過傳導、對流以及輻射3種方式進行。

傳導的計算公式為：

式中，Φ1為熱流量，λ為導熱系數，A為導熱截面積，δ為導熱壁厚。

對流的計算公式為：

式中，φ為熱流密度，A為換熱面積，c為換熱系數。

輻射的計算公式為：

式中，ε為物體的黑度，σ0為斯蒂芬-玻爾茲曼函數，A為輻射表面積，T為熱力學溫度。

由熱平衡方程：

雖然不能定量分析，但是可以定性分析解決措施。從以上公式中可以看出3種散熱方式都與散熱面積有關系，增大高阻片的表面積是可行的。原來的高阻片的形狀為C形，更改為W形后可以增加表面積30%。另外輻射散熱跟物體黑度ε有關系，而物體黑度ε的同物體的表面粗糙程度和顏色均有關系。將高阻片不做表面拋光，只進行噴黑器處理后，高阻片的黑度由0.037增加到0.78。

經過以上優化高阻片在進行溫升測試，環境溫度為40 ℃，實際測量的結果如表1所示，滿足要求。

表1 優化后實際高阻片的溫升值

2.2 電容蓄能方案

2.2.1 電容蓄能方案原理

電容蓄能方案原理如圖2所示。

圖2 電容蓄能方案原理圖

電容板上有許多大容量的電解電容器，這些電解電容通過電容板并聯在直流母線上。直流系統正常運行時，直流母線給電容板充電，直流輸出瞬間短路時（不管母線側還是設備側），電解電容儲存的能量釋放維持母線電壓。

電容方式方案簡單，成本低，只需要一塊PCB即可，不需要高阻供電方式那樣有一個高阻供電柜。直流輸出瞬間短路時，不管母線側還是設備側，電容都可以釋放能量維持直流母線電壓短時不下降。綜上所述電容放電方式可以有效解決高阻供電方式的缺點[8-10]。

2.2.2 存在問題

在實際測試中發現電容放電方式存在一個問題。當電源系統開機或者交流停電整流器重新工作時，沖擊電流很大，常常導致整流器直流輸出過壓，整流器保護關機。經過實際測試，帶負載合閘時瞬時直流母線電壓升高4.0 V，示波器顯示為58.4 V。整流器的直流輸出過壓保護點為58 V，如果直流電壓超過58 V時整流器就會硬關機。這個時候只有重新開機才能恢復整流器輸出，容易造成整流器的誤啟動。

2.2.3 解決措施

為了維持直流輸出短路時的母線電壓，在電容板上放置了6個大容量的電解電容，總計60 000 μF。這些電容并聯在母線上，當整流器開機時，由于整流器的輸出阻抗比較小，電容的瞬間充電電流過大，類似于短路的效果，造成整流器過壓保護。為了限制整流器開機時瞬時充電電流過大，在電容板上增加了電容充電電路，限制電容充電電流的大小，使電容慢充電。優化后的電路如圖3所示。

圖3 帶充電電路的電路圖

電容充電回路上的限流電阻為10 Ω，最大的充電電流為5.4 A，電容的充電時間為0.6 s。同時在充電回路中增加一個控制MOS管，當直流母排不工作時MOS管斷開電容充電回路，減少事故隱患。

3 總 結

電容放電方式相對高阻供電方式擁有許多優點，但也存在相應問題。在大容量的電源系統中，為了維持母線電壓就必須釋放大量的能量，但電容貯存的能量畢竟有限，所以放完電就必須重新充電，但隨著負載電流增大，電容的穩壓效果也越差。而且電解電容本身就是一個失效率較高的器件。從可靠性來說，高阻供電方式比電容放電方式高，所以在目前的客戶運行環境下，這兩種防瞬間短路方式相互補充。在小容量的電源系統中一般建議客戶使用電容放電方式，而在中大容量的電源系統中就會推薦高阻供電方式。