如何为通信电源系统选择整流模块
1引言
为一个通信电源系统选择整流模块要考虑很多因素。过去，大的垄断性的电信公司常常选择冗余量很大的系统方案。但是，随着全球性市场竞争的日趋激烈，这种选择方式将是不可取的。为了优化一个电源供电方案，有必要仔细考察许多相关因素，包括产品性能与价格问题，这样才能以最经济的方式满足最终用户的要求。
各国在法律上不断对产品的安全性和EMC提出新的要求，使得选择电源方案的条件更加苛刻。为每一个应用场合提供最优方案是必要的，但是为此从头开始设计每一个系统却是不可行的。可行的是使用标准组件来配置系统。
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许多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。但许多思路可应用在其它电源上。
2冷却方式—风冷和自冷的选择
一个系统的冷却方式对整流模块的选择有非常大的影响。有些系统要求自然冷却（简称自冷），有些则可以接受风扇冷却（简称风冷）。在同样功率、同等条件下，风冷和自冷模块的最大区别在于外形大小及成本多少。西方大的电信公司传统上选择自然冷却，这样可得到较长的产品寿命，明显低的维护成本，电源的初始成本也不象现在这么贵（现在自冷的模块很贵）。这样，选择冗余量很大的系统方案也可以接受，它可以更加安全地供电。
风冷模块在成本和尺寸上的优势被它的缺点所抵消（如噪音，灰尘，风扇寿命和可靠性），但实际上这些缺点并不是最首要考虑的问题。一个外壳设计得很糟糕的自冷模块的可靠性比采用风冷的模块要低得多，因为风冷模块的冷却与外壳设计无关。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。
要求设计寿命超过7年时，传统上不采用风扇。但是，如果允许定期更换风扇，就有可能得到设计寿命更长的风冷系统。如果风冷整流模块设计成具有风扇性能监测、现场易于更换风扇的特性，则允许系统以低成本获得高可靠性。20多年以来对整流模块既要经济、又要长寿命的设计要求是风冷产品得以生存的条件。
除了上面提到的风冷和自冷技术外，另外两种技术也越来越流行：外部系统冷却和辅助冷却。
21外部系统冷却
外部系统冷却是指由中央冷却装置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，而且避免了模块电源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：
中央冷却装置，不仅给电源系统提供空气流，也冷却其它部分的通信系统。一个系统中只有一个中央冷却装置需要维护，当中央冷却装置发生故障时电源仍能输出能量（约为满载时的60％）。
22辅助风冷
辅助风冷是指模块的冷却是由间断运行的风扇提供的。如果温度过高或持续输出大电流时，风扇就会运转。采用这种方式可以获得很高的系统集成度，但需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，就会发出报警信号。该方法的好处有：
在不更换的情况下，风扇间断运转使得系统设计寿命比模块内强制风冷要长。
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。
由于风扇间断运行，灰尘和噪音问题也大大缓解。
以下举例说明如何配置系统：
整流模块：
自然冷却时的容量30A
辅助风冷时的容量50A
负载：
最大负载110A
电池充电电流30A
总电流140A
要求采用N＋1冗余备份。
要支持140A的输出容量必须选3个整流模块和1个冗余备用模块。如果4个模块都工作（实际应用正是如此）而且电池充满了电，每个模块的最大负载电流只有110/4=27.5A，低于模块自冷额定容量。此时风扇不转。在停电后对电池充电时，或一个模块发生故障时，系统仍将满足要求，但风扇开始运转。在典型的系统中，风扇运转时间的比例是非常低的，这大大地延长了产品寿命。而且，根据以上实例，某一模块的风扇故障后系统容量只降低10％（从4×50A降到3×50A＋30A）。假如采用强制风冷模块，系统容量将降低25％。
表1给出了各种冷却方式下的典型功率密度。
表1各种冷却方式下的典型功率密度＊ 冷却方式 相对功率密度 自然冷却 1.00 强制风冷 2到25 系统风冷 15到2 辅助风冷 13到17 ＊假定所有运行环境具有可比性。
3输入电压范围的选择
为特定的应用场合选择正确的输入电压范围越来越重要。在英国，过去通常定义输入电压范围为216V～264V（即240V±10％）。现在趋向采用适合于全世界的通用电压范围：85V～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，开发了具有110V输入功率因数校正电路的整流模块，从而使产品具有全球通用的输入电压范围。
对于可移动设备市场或全球性使用设备市场而言，选择带功率因数校正的、通用输入的模块无疑是正确的，但对于固定安装来说，仔细选择输入电压范围会有很大好处。在宽电压范围内要提供完全的性能将会给整流模块带来成本和尺寸上的显著增加。这也会影响系统冷却。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。
显然，有时必须在宽电压范围内提供完全的性能。但是在某些场合，当输入电压低于某一阈值时只要求在短时间内提供完全性能，这样就不需要处理散热问题，从而显著地降低了成本和缩小了体积。
如果系统工作在115V额定输入电压下，那么运行在1035V（115V－10％）时的损耗与运行在85V时的损耗相差15％。要求在85V以上能连续工作的系统将比在1035V时连续工作的系统要多损耗15％的功率。连续工作在1035V下并不意味着系统不能可靠地短时间工作在很低的电压下。对此的精确控制将取决于模块内的温度监控电路。图1给出了典型的功率损耗与输入电压之间的关系。
图1具有全球通用输入电压的模块的典型功率损耗
4限流特性
通常电源系统在整个电压输出范围内具有恒流特性，在短路时输出电压、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使充电电流变化。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13A。而恒电阻负载在55V时消耗1A，在40V时只消耗07A。仔细地分析在整个工作电压范围内所有负载的实际情况就会知道，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。
以下方法可用来确定是否采用优化的特性曲线。假设：
Id—40V时的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。
例1
设：Id=100A，Ir=20A，Ib=10A
在55V时：
It=(100×40/55)＋20＋10=102.7A
等于564kW的功率。
在40V时：
It=100＋(20×40/55)＋10=124.5A
这等于498kW的功率。
例2
设：Id=50A，Ir=70A，Ib=10A
在55V时：
It=(50×40/55)＋70＋10=116.4A
等于6.4kW的功率。
在40V时：
It=50＋(70×40/55)＋10=110.9A
这等于444kW的功率。
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685kW(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。
现代开关式拓扑技术可以轻易地做到根据总负载要求来确定输出特性，使得在一定的负载组合下减小总的安装功率也能满足要求。
图2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。
图2 优化输出限流特性曲线
图中A—传统恒电流限流特性
B—部分恒功率限流特性
C—带恒功率负载
图中A和B之间的三角区域等效减小了约17％的功率。
5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℃至＋65℃）。正如第1节所说，仔细考虑温度和散热对于系统的可靠和有效运行非常重要。如果实际要求电源系统工作在宽温度范围内，显然保证系统中的所有元器件可靠地工作是很必要的。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，即在很低的温度下完全达到常温时的系统指标是否必要？在很高的温度时是否有必要提供最大的功率输出？
实际上，在极端温度点处对模块的要求越低，系统就可以越经济。
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。如果有些特性可以降低要求，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起动。实际上，系统在起动一段时间以后由于自身发热温度会上升。放松在低温时对非关键参数的要求（如输出噪音、辅助特性）对降低模块成本有好处。实际应用中，如果规定模块可以在最低温度下起动和在较高一些温度下完全达到指标地工作是很有用的。
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