通信基站監(jiān)控設(shè)備電源綜合浪涌防護(hù)研究

肖良平，侯曉榮，肖 豆，陸金波

（電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054）

0 引言

通信基站常建于高樓頂端、山頂?shù)鹊貏萃怀鑫恢?，容易遭受到雷擊或雷電感?yīng)，危及基站內(nèi)部監(jiān)控設(shè)備的安全。雷電入侵通信基站的主要途徑有[1]：經(jīng)過交流配電系統(tǒng)入侵，基站內(nèi)部的電源線路可能會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)雷的影響，導(dǎo)致基站監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)故障；或經(jīng)直流系統(tǒng)入侵，基站內(nèi)部直流供電設(shè)備感應(yīng)雷電沖擊，基站監(jiān)控設(shè)備的電能來自基站內(nèi)的直流配電箱-48 V DC電源，因此浪涌電流容易沿著監(jiān)控設(shè)備供電線傳輸至設(shè)備電源輸入端，破壞設(shè)備電源。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，監(jiān)控設(shè)備需要可靠電源浪涌防護(hù)才能保證監(jiān)控設(shè)備正常的電能供給，保證監(jiān)控設(shè)備持續(xù)可靠地工作，因此對基站監(jiān)控設(shè)備電源防護(hù)研究很有實(shí)際意義。

電源浪涌防護(hù)方面已有許多研究。如文獻(xiàn)[2]給出了氣體放電管在開關(guān)變換器中的選擇和設(shè)計(jì)方案，可是在直流電源防護(hù)中，由于放電管的續(xù)流問題，只采用氣體放電管是無法做到安全防護(hù)浪涌電流；文獻(xiàn)[3-4]研究變電站特殊環(huán)境下微機(jī)電源防雷保護(hù)，設(shè)計(jì)了電源防雷濾波器消除高頻浪涌的影響，沒有給出濾波器的插入損耗；文獻(xiàn)[5]研究風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)交流電源的浪涌電流防護(hù)，但只說明了電路防護(hù)效果；文獻(xiàn)[6]分析了LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌電路，該電路設(shè)計(jì)的泄流容量有限差模1 kV、共模2 kV雷擊高壓，重點(diǎn)研究了浪涌防護(hù)效果，缺乏對電源傳導(dǎo)騷擾情況的研究。文獻(xiàn)[7]分析了LED驅(qū)動(dòng)電源EMI濾波電路以及電路參數(shù)對插入損耗影響，而缺少關(guān)于電路浪涌保護(hù)的分析。另有一些相關(guān)研究[8-10]，針對AC電源線采用LC隔離兩級(jí)浪涌保護(hù)，增強(qiáng)浪涌電流的防護(hù)，但缺少對濾波效果的評估。已有的綜合防護(hù)方案，分析重點(diǎn)是如何抑制高頻浪涌的沖擊，缺乏對DC/DC電源EMI濾波的考慮。筆者提出了一種綜合浪涌電流防護(hù)方案，解決浪涌電流防護(hù)問題和抑制DC/DC電源傳導(dǎo)騷擾的問題，使得整個(gè)方案滿足浪涌抗擾度和傳導(dǎo)騷擾限值要求。

1 設(shè)計(jì)原則以及雷電流分析

1.1 設(shè)計(jì)原則

目前，國際和國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化組織都已制定了關(guān)于雷擊浪涌相關(guān)測試及防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 61000-4-5和GB 17626.05等，同時(shí)在GB 9254-2008規(guī)范中規(guī)定了關(guān)于信息技術(shù)設(shè)備無線電騷擾限值和測量方法，而基站監(jiān)控設(shè)備電源需要達(dá)到A級(jí)設(shè)備的水平。基站設(shè)備電源系統(tǒng)浪涌來自兩個(gè)方面，即內(nèi)部浪涌和外部浪涌?；就獠坷擞恐饕獊碜岳纂姡?jīng)電源線傳導(dǎo)到電源系統(tǒng)，或者通過設(shè)備電源線感應(yīng)產(chǎn)生的；電源設(shè)備內(nèi)部浪涌，主要來自DC/DC開關(guān)電源。對于電源端的浪涌保護(hù)電路都會(huì)考慮電路的通流能力、輸出殘壓、響應(yīng)速度以及使用壽命等方面。對于處于通信基站內(nèi)部的監(jiān)控設(shè)備，其電源綜合浪涌防護(hù)電路來說，還應(yīng)當(dāng)注意防護(hù)的安全可靠性，這包括正常防護(hù)和失效防護(hù)的分析，同時(shí)注意電源電壓和多級(jí)防護(hù)之間電流的泄放。圖1為電源板結(jié)構(gòu)示意圖，包含兩部分:綜合浪涌防護(hù)部分和DC/DC電源模塊。內(nèi)置的DC/DC電源會(huì)帶來較大的電磁干擾噪聲，因此在綜合浪涌防護(hù)增加了EMI濾波電路，減少內(nèi)部開關(guān)噪聲傳導(dǎo)至前級(jí)電源-48 V DC輸出端的同時(shí)也阻止來自線路浪涌高頻部分的干擾，因此綜合浪涌防護(hù)電路需要能夠達(dá)到抗擊浪涌的標(biāo)準(zhǔn)以及限制電源傳導(dǎo)騷擾的能力。

圖1 電源板示意圖Fig.1 Diagram of power supply board

1.2 8/20 μs模擬電涌電流分析

基站設(shè)備受到的沖擊浪涌電流波形可用8/20 μs模擬，根據(jù)IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)，8/20 μs的雷電流波形，圖2為擬合雷電流波形，函數(shù)表達(dá)式為

式中：I(t)為浪涌沖擊電流；Ip為浪涌電流峰值；波形系數(shù)k=0.01243(μs)-3,τ=3.911 μs。由式（1）可得8/20 μs雷電流擬合曲線。

圖2 8/20 μs浪涌仿真波形Fig.2 Surge simulation waveform of8/20 μs

從波形可知，電流上升時(shí)間較短，在線路上由于di/dt的存在會(huì)在線路上產(chǎn)生高電壓，5 kA下8/20 μs雷電流的總電荷由積分計(jì)算：

雷電流的單位能量，有近似公式：

式中：W/R為單位能量，即流過1Ω電阻消耗的能量，J/Ω；I為雷電流幅值，A；T2為雷電流波形的半值時(shí)間，s。

在5 kA下8/20 μs雷電流單位能量有W/R=357 J/Ω。由此可知，浪涌電流對于端口的沖擊能量很大，因此，足見在設(shè)備電源端口處設(shè)置浪涌防護(hù)尤為重要。

2 電源綜合防護(hù)設(shè)計(jì)

對于普通DC/DC開關(guān)電源，浪涌電流往往來自內(nèi)部的容性器件[11]，在電容處于尚未通電的初始狀態(tài)下，供電線開關(guān)導(dǎo)通的瞬間將會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，損害電路元件。而在通信基站電磁環(huán)境較為惡劣的條件下，更多的是防護(hù)來自外部電源線傳導(dǎo)的浪涌電流，因此本設(shè)計(jì)主要是抑制外部5 kA浪涌電流，測試波形采用8/20 us浪涌電流波形。

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

浪涌防護(hù)一般選用的防護(hù)器件有氣體放電管、壓敏電阻和TVS管，單一使用某種器件很難達(dá)到良好的浪涌防護(hù)效果，因此需要它們之間相互配合使用，抑制浪涌。

通常電源傳導(dǎo)干擾頻率分布，差模干擾主要作用在10～100 kHz頻率，對于共模干擾在1～30 MHz頻率下占據(jù)主導(dǎo)作用。DC/DC開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾度無法滿足A類要求，采用復(fù)雜多級(jí)濾波結(jié)構(gòu)改善阻抗適配條件下的EMI濾波效果，采用如圖3所示綜合浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

防護(hù)設(shè)計(jì)摒棄了采用放電管或壓敏電阻單一、直接地并聯(lián)到電源輸入端的設(shè)計(jì)思路，而是采用復(fù)合方案，這種方式避免了單一放電管在受到浪涌電壓波動(dòng)導(dǎo)通時(shí)無法扼制氣體放電管續(xù)流而導(dǎo)致電源短路問題，也避免了壓敏電阻由于漏電流等因素縮短壓敏電阻壽命問題。受到共模浪涌電流沖擊時(shí)，浪涌電流通過壓敏（Z2或Z3）和放電管G3泄放；受到差模浪涌電流沖擊時(shí)，浪涌電流通過壓敏Z1和放電管G1泄放到大地，TVS管D1、D2和 D3作為二級(jí)限壓。為了避免浪涌沖擊下共模電感產(chǎn)生諧振，損壞功率器件，共模電感兩側(cè)并上一個(gè)氣體放電管，可以避免諧振引起共模電感的過電壓。

圖3 綜合浪涌防護(hù)電路Fig.3 Integrated surge protection circuit

2.2 防護(hù)電路作用瞬態(tài)分析

壓敏和氣體放電管串聯(lián)導(dǎo)通下等效電路見圖4，在MOV等效模型[12-13]中，L1為引線電感（約1nH/mm）；R2為引線電阻；RV1為非線性電阻，其呈現(xiàn)3種狀態(tài)，在漏電流區(qū)為Rleak，在泄流區(qū)為Rd，在非線性大電流區(qū)為RB。這3種狀態(tài)下電阻大小為Rleak?Rd?RB。其中Rd決定了壓敏的電氣特性，C1為晶界電容。放電管在導(dǎo)通時(shí)，L為電路雜散電感，可假設(shè)U2(t)=GeAt。受到浪涌電流產(chǎn)生的高壓時(shí)，電路存在：

圖4 壓敏和氣體放電管導(dǎo)通瞬態(tài)等效電路Fig.4 Transient equivalent circuit of gas discharge tube and varistor

若忽略L1和R2，則可求：

2.3 電路濾波特性分析

根據(jù)圖3所示綜合浪涌防護(hù)電路結(jié)構(gòu)，可知共模、差模高頻濾波等效電路分布見圖5和圖6。

圖5 共模濾波高頻等效電路Fig.5 High-frequency equivalent circuit of the common mode filter

圖6 差模濾波高頻等效電路Fig.6 High-frequency equivalent circuit of the differential mode filter

從圖5共模濾波高頻等效電路可知，在理想情況下共模濾波器按照斜率40 dB/10(oct)曲線衰減。電源線對地之間由于有共模電容CY=C2的存在，使得電流漏電流，漏電流有限制要求，漏電流近似：Ig=2πf?U?CY?10-6(mA)。供電電源可能來自基站備用電池，電源電壓波動(dòng)范圍：-60～-40 V。

圖6差模濾波高頻等效電路，其由共模漏感Lleak、差模電感L2以及CX電容C1、C4、C5和CY電容C2其高頻等效電路組成。

在Pspice中，對設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行插入損耗分析，在寄生參數(shù)存在的情況下，分析可得插入損耗曲線見圖7，測試負(fù)載50 Ω。在f=230 kHz左右，共模插入損耗約為-45 dB，差模損耗約為-26 dB。在等效電容和電感諧振點(diǎn)處，插入損耗達(dá)到最大值，諧振點(diǎn)后，損耗逐漸降落。共模插入損耗約在f=600 kHz達(dá)到最大，損耗為-123 dB，差模插入損耗約在f=11 MHz，達(dá)到最大-100 dB。

圖7 寄生參數(shù)下電路插入損耗Fig.7 Circuit insertion loss under parasitic parameters

3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果

在圖3綜合防護(hù)方案中，通流量為5 kA，通常采用兩個(gè)壓敏泄流并聯(lián)，以滿足泄放要求。因此按照選用壓敏通流要求，Z2和Z3選用壓敏MOV-20D121K型號(hào)，其峰值通流6.5 kA，允許線路電壓100 V DC，脈沖電流8/20 μs下最大拑位電壓200 V/100 A，兩個(gè)并聯(lián)之后通流量可達(dá)到13 kA，可以滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，Z1也采用兩個(gè)MOV-20D820K型號(hào)壓敏并聯(lián)。G1采用直插大通流量10kA的放電管N81-A90X，可耐受10 kA的8/20 μs波形10次沖擊，在50 V DC下絕緣電阻大于10 GΩ。G2為三端放電管，采用TDK公司T23-A230可耐受20 kA的8/20 μs波形正負(fù)5次沖擊，單次可泄放25 kA浪涌電流，在浪涌電壓上升1 kV/μs時(shí)，電壓小于450 V。并聯(lián)在電感兩側(cè)的氣體放電管G3型號(hào)為SPA230F，可耐受2.5 kA沖擊電流，直流擊穿電壓230 V DC。共模電感T的電感量為15 mh，C1值為1uf，L2和L3為47 uH。

監(jiān)控設(shè)備后級(jí)DC/DC電源接上負(fù)載后，在沒有加入綜合濾波器之前，測試電源端口的傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)波形見圖8，測試儀器按照GB 9254—2008測試要求進(jìn)行測試。

圖8 無綜合浪涌防護(hù)電路電源傳導(dǎo)N線測試曲線Fig.8 No comprehensive surge protection circuit power supply conduction N-wire test curve

在接入綜合防護(hù)器之后，按照相同標(biāo)準(zhǔn)測試的曲線見圖9。對比兩個(gè)波形，圖8中在沒有接入之前，干擾頻率在1 MHz以下準(zhǔn)峰值和平均值有超過限值的頻率點(diǎn)。從測試數(shù)據(jù)可知，在頻率f=231 kHz時(shí)是最高點(diǎn)，準(zhǔn)峰值達(dá)到89 dB，超出規(guī)定限值10 dB；平均值達(dá)到89.4 dB，超出規(guī)定值23.4 dB。在接入圖9后顯示，電源設(shè)備達(dá)到規(guī)定A類要求，在頻率f=231 kHz左右時(shí)，準(zhǔn)峰值為55.9dB，接入綜合防護(hù)器，干擾噪聲信號(hào)損耗約33 dB，與理論值仿真約相差10 dB，造成這個(gè)偏差可能原因有：在Pspice等效電路下，寄生參數(shù)是通過理論計(jì)算得到的，理論計(jì)算并沒有考慮實(shí)際布線帶來的影響。當(dāng)頻率f＜3 MHz時(shí)，綜合防護(hù)電路的噪聲干擾衰減很明顯；由于器件在高頻下寄生參數(shù)影響，使得頻率f超過3 MHz時(shí)干擾衰減效果并不明顯。綜上對比圖8和圖9接入綜合浪涌防護(hù)裝置前后的電源傳導(dǎo)騷擾的試驗(yàn)波形，可知該電路能夠使電源端子傳導(dǎo)騷擾限值達(dá)到A級(jí)水平。

圖9 有綜合浪涌防護(hù)電路電源傳導(dǎo)N線測試曲線Fig.9 Integrated surge protection circuit power conduction N-wire test curve

運(yùn)用PSCAD/EMTDC軟件對電源綜合防護(hù)電路進(jìn)行定量分析，在共模及差模方式下對8/20 μs雷電流干擾抑制后電路各端的電壓波形見圖10。從圖10中可知，在受到共模和差模5 kA浪涌電流沖擊下保護(hù)器件端迅速保護(hù)，將電壓拑位到200 V左右，輸出電容端電壓受到浪涌沖擊下最終趨于平穩(wěn)，電壓將穩(wěn)定在100 V內(nèi)，由此可知該電路可以有效抑制浪涌電流。

圖10 防護(hù)電路下電容輸出端和保護(hù)輸入端電壓Fig.10 Voltage of capacitance and protect port after the common mode and differential mode surge

最后試驗(yàn)表明，選擇合適容量和規(guī)格的器件就能夠達(dá)到較好的抑制效果。經(jīng)過制作樣品后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對接入樣板后的設(shè)備進(jìn)行測試，該電路能夠有效抑制浪涌電流的沖擊，可以達(dá)到5 kA浪涌設(shè)計(jì)要求，能夠有效避免基站浪涌電流對監(jiān)控設(shè)備的沖擊，同時(shí)能夠抑制電源端的傳導(dǎo)干擾，保證設(shè)備提供可靠電能。

4 結(jié)論

在通信基站電磁環(huán)境惡劣的情況下，監(jiān)控設(shè)備電源容易受到雷擊浪涌暫態(tài)過電流的影響，同時(shí)存在DC/DC電源傳導(dǎo)騷擾問題。針對這些問題，本文提出了新的綜合浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了防護(hù)電路作用瞬態(tài)分析和電路EMI濾波特性分析，通過運(yùn)用Pspice和PSCAD/EMTDC軟件分別對綜合防護(hù)電路的EMI濾波特性和浪涌電流防護(hù)特性進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，電源綜合防護(hù)能夠有效衰減電源傳導(dǎo)的干擾信號(hào)，同時(shí)防護(hù)電路輸出電壓低于可承受的最高電壓，與試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)一致。所提出的方案，能夠達(dá)到抗擊差模、共模5 kA（8/20 us）浪涌電流的能力，同時(shí)電源端子傳導(dǎo)騷擾限值滿足A類設(shè)備水平。同時(shí)該防護(hù)電路可以有效解決壓敏電阻漏電流和放電管續(xù)流的問題。