開關(guān)電源硬件休眠節(jié)能技術(shù)

王 劍 廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院

1 背景技術(shù)

目前，國內(nèi)各開關(guān)電源制造商生產(chǎn)的各型號開關(guān)整流器由于普遍采用了PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)，使得整流器的工作效率比原來的老式相控電源高很多，其峰值效率可達(dá)到90%以上。但從各廠家產(chǎn)品測試獲得的“負(fù)載-效率”曲線來看，在負(fù)載偏低的情況下，由于整流器內(nèi)部元器件的固有損耗，其效率并不高。雖然各廠家的產(chǎn)品略有差異，但是總體上看，從實(shí)際輸出電流0A到110%額定輸出電流的負(fù)載變化區(qū)間內(nèi)，開關(guān)整流器典型的“負(fù)載-效率”曲線如圖1所示：

圖1 開關(guān)整流器典型的“負(fù)載-效率”曲線圖

由圖1可以看出，開關(guān)電源在40%額定電流輸出區(qū)間以下，整流器的效率是比較低的，且輸出電流越小效率越低。但整流器的持續(xù)工作電流過大時(shí)，一旦達(dá)到或者超過額定工作電流，其工作穩(wěn)定性會(huì)受到影響。因此從提高整流器的工作效率來講，有必要采取措施確保開關(guān)整流器工作在40%～80%的負(fù)載區(qū)間內(nèi)。

綜上所述，現(xiàn)有開關(guān)電源系統(tǒng)的缺陷是：開關(guān)整流器沒有得到合理的利用，工作效率低，熱損耗大，浪費(fèi)資源。有必要采取合理的技術(shù)措施，避免多個(gè)整流器工作在效率較低的負(fù)載率區(qū)間內(nèi)，提升整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)的工作效率，降低熱損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 廠家軟件休眠方案及缺陷

從2009年開始，國內(nèi)各開關(guān)電源廠家陸續(xù)推出了結(jié)合自身電源產(chǎn)品的軟件休眠節(jié)能技術(shù)，其普遍的技術(shù)原理是：廠家根據(jù)自身的開關(guān)整流器的“負(fù)載-效率”特性，預(yù)設(shè)一個(gè)合理的負(fù)載率區(qū)間，通過電源系統(tǒng)監(jiān)控單元實(shí)時(shí)采集整流器輸出電流與總負(fù)載電流，計(jì)算判斷需要工作的整流器數(shù)量，然后通過整流器遙控開/關(guān)機(jī)命令實(shí)現(xiàn)對整流器的軟關(guān)機(jī)和開機(jī)，達(dá)到休眠節(jié)能的目的。其原理圖如圖2所示：

圖2 開關(guān)電源廠家軟件休眠節(jié)能原理圖

開關(guān)電源廠家通過軟件升級實(shí)現(xiàn)休眠節(jié)能，在一定程度上達(dá)到了降低系統(tǒng)熱損耗的效果，但明顯存在以下缺陷：

（1）監(jiān)控單元故障可能影響系統(tǒng)電流輸出能力

處于軟件控制休眠節(jié)能模式下的開關(guān)電源系統(tǒng)，如監(jiān)控單元發(fā)生故障，部分廠家在休眠模式下的整流器即使斷電復(fù)位也不能自動(dòng)打開，若此時(shí)發(fā)生停電故障再來電需要給蓄電池充電的情況，或發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容導(dǎo)致負(fù)載電流增加的情況，則會(huì)直接影響到開關(guān)電源系統(tǒng)的電流輸出能力，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性。

（2）達(dá)不到最佳節(jié)能效果

由于整流器休眠節(jié)能是通過系統(tǒng)軟關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，在熱備份休眠模式下，整流器在通信接口部分和輔助電源部分仍有一定的功耗。經(jīng)檢測，平均每個(gè)50A的整流器在軟關(guān)機(jī)休眠模式下的損耗為20W～25W。因此，在休眠模塊數(shù)量越多的情況下，系統(tǒng)模塊軟關(guān)機(jī)的固有功耗也越大。

（3）休眠節(jié)能的可靠性不高

在監(jiān)控單元故障情況下，開關(guān)電源系統(tǒng)休眠節(jié)能功能會(huì)丟失，導(dǎo)致回到所有整流器工作的情況。因此，系統(tǒng)休眠節(jié)能功能完全依賴于監(jiān)控與整流器之間的通信狀態(tài)，可靠性得不到保證。

（4）系統(tǒng)的防雷防浪涌沖擊的可靠性得不到提升

在整流器熱備份休眠模式下，整流器僅僅被切斷了直流輸出，其交流輸入部分仍然處于帶電狀態(tài)。因此，在雷擊或持續(xù)過電壓沖擊的情況時(shí)，休眠模式下的整流器仍可能被雷擊或過電壓沖擊導(dǎo)致?lián)p壞。嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致開關(guān)電源系統(tǒng)所有的整流器被雷擊損壞，喪失電流輸出能力，這與處于非節(jié)能模式下的開關(guān)電源系統(tǒng)一樣，防雷性能得不到任何有效提升。

3 開關(guān)電源硬件休眠節(jié)能技術(shù)

作為公眾通信網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)設(shè)備的開關(guān)電源系統(tǒng)，承擔(dān)著給所有通信設(shè)備設(shè)施供電的任務(wù)，因此對它的任何技術(shù)改進(jìn)措施都必須首先確保電源系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?；诖?，在電源廠家通過軟件實(shí)現(xiàn)休眠節(jié)能存在上述缺陷，必須采用新的休眠節(jié)能方案來克服。目前，國內(nèi)出現(xiàn)了最新的通過外圍硬件控制的休眠節(jié)能技術(shù)，并取得了國家專利。其原理圖如圖3所示。

由圖3可知，其基本工作原理是：節(jié)能控制器不依賴于開關(guān)電源監(jiān)控單元，而是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對整流器輸出電流總和各模塊工作狀態(tài)的檢測，通過預(yù)先設(shè)定的整流器工作效率區(qū)間，判斷當(dāng)前負(fù)載情況下需要工作的整流器數(shù)量，然后控制加裝在整流器交流輸入前端的繼電器，控制整流器的市電輸入通斷，通過冷備份方式來達(dá)到休眠節(jié)能的目的。

圖3 硬件實(shí)現(xiàn)電源休眠節(jié)能原理圖

相比于電源廠家通過軟件實(shí)現(xiàn)休眠節(jié)能的方式，硬件休眠節(jié)能系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）任何時(shí)候都不會(huì)影響開關(guān)電源的電流輸出

由于硬件休眠節(jié)能系統(tǒng)采取的是控制整流器交流輸入電源的通/斷，休眠模式的整流器完全處于斷電狀態(tài)，因此在主用整流器故障或負(fù)載電流增大需要打開備用整流器時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)在軟件休眠模式下監(jiān)控單元故障時(shí)整流器軟關(guān)機(jī)休眠后不能自動(dòng)打開的情況。此外，整流器前端控制開關(guān)采用了常閉型交流接觸器，即使硬件節(jié)能系統(tǒng)失效也不會(huì)影響到開關(guān)電源系統(tǒng)的電流輸出能力，確保了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性。

（2）可實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果

由于硬件休眠節(jié)能系統(tǒng)自身功耗僅5W，采取的是控制整流器交流輸入電源的通/斷，休眠模式的整流器完全處于斷電狀態(tài)，因此較之軟件休眠節(jié)能的情況，省去了整流器軟關(guān)機(jī)狀態(tài)下的固有損耗，平均每個(gè)50A的整流器可節(jié)省20W～25W。在休眠模塊數(shù)量越多的情況下，節(jié)省的功耗也越大。

（3）休眠節(jié)能的可靠性高

由于硬件休眠節(jié)能系統(tǒng)獨(dú)立于監(jiān)控單元工作，并在外圍建立了一套完整的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，因此只要整流器工作正常，節(jié)能系統(tǒng)就能充分發(fā)揮效力，不受監(jiān)控單元工作狀態(tài)的影響。

（4）系統(tǒng)的防雷可靠性大幅提升

由于硬件休眠節(jié)能系統(tǒng)采取的是控制整流器交流輸入電源的通/斷，休眠模式的整流器完全處于斷電狀態(tài)，因此在雷擊或持續(xù)過電壓沖擊的情況下，處于冷備份休眠模式下的整流器不會(huì)被雷擊或過電壓沖擊損壞。若主用整流器被雷擊損壞，則處于冷備份模式的休眠整流器自動(dòng)投入工作，大幅提高了開關(guān)電源系統(tǒng)的防雷擊性能，保證了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性。

（5）工程實(shí)施簡單方便

目前，電信運(yùn)營商網(wǎng)上都存在不同時(shí)期、不同廠家、不同型號的開關(guān)電源產(chǎn)品，各電源廠家都只能實(shí)現(xiàn)對自身的、部分產(chǎn)品的軟件升級休眠節(jié)能，對于相對較老的產(chǎn)品則無法實(shí)現(xiàn)。而通過硬件實(shí)現(xiàn)休眠節(jié)能將避免了不同廠家、不同型號的困擾，運(yùn)營商只需面對一個(gè)廠家，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)網(wǎng)所有開關(guān)電源產(chǎn)品的休眠節(jié)能，工程管理和實(shí)施都非常簡單方便。

4 節(jié)能效益測算與實(shí)施效果

以移動(dòng)運(yùn)營商為例，測算移動(dòng)基站組合式一體化開關(guān)電源在使用該節(jié)能系統(tǒng)后產(chǎn)生的收益。

由于各移動(dòng)運(yùn)營商現(xiàn)有基站直流用電設(shè)備包括BTS、SDH和數(shù)字微波等設(shè)備，其中BTS又分為G網(wǎng)900M與1800M、C網(wǎng)800M等。從載頻配置來看，以-48V（實(shí)際情況下浮充狀態(tài)為54V）系統(tǒng)40A負(fù)載電流、開關(guān)電源配置為4臺50A整流器為例進(jìn)行計(jì)算。

在蓄電池正常浮充狀態(tài)下，4臺整流器每臺輸出電流為10A，負(fù)載率為20%。此時(shí)整流器的工作效率只有約80%，整流器的直流輸出功率約為540W。因此交流輸入功率約為675W，每臺整流器的熱損耗約為135W，4臺整流器總的熱損耗約為540W。

在開關(guān)電源節(jié)能系統(tǒng)投入使用后，根據(jù)負(fù)載電流大小，只采用1臺整流器工作、關(guān)閉其余3臺整流器。該整流器的負(fù)載率為80%，效率可達(dá)到90%，直流輸出功率約為2160W，交流輸入功率約為2400W。由于此時(shí)只有1臺整流器工作，因此系統(tǒng)總的熱損耗只有240W。

對比前后兩種情況可知，在使用開關(guān)電源節(jié)能系統(tǒng)后，該基站開關(guān)電源系統(tǒng)可節(jié)省熱損耗約為300W。照此計(jì)算，在不停電的情況下每天可節(jié)約用電7.2kWh，每月可節(jié)約用電216kWh。按照1.0元/kWh計(jì)算，每月可節(jié)約電費(fèi)216元，每年節(jié)約電費(fèi)超過2500元。

[1]宋守國,張少文. 基站開關(guān)電源模塊休眠技術(shù)在節(jié)能降耗中的應(yīng)用[J]. 電信技術(shù), 2008(7): 39-40.

[2]普利斯曼,莫瑞. 開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M]. 王志強(qiáng),譯. 3版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

[3]趙啟陽,李向恩. ZL 2007 2 0188633.5. 開關(guān)電源節(jié)能裝置[P]. 2008.