熱備份直流電源設備的設計與實現(xiàn)

陳偉麟

（江蘇省廣播電視總臺，江蘇 南京 210009）

0 引 言

供電保障是廣播電視安全播出保障的基礎。供電保障包括外電供電、不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）供電和設備供電三個層級。外電供電一般通過雙路不同路由的外電，甚至三路或者專線來提高保障水平[1]。UPS不間斷電源主要提供外電中斷時設備供電的不間斷[2]，供電時間由UPS電池容量和供電負荷決定，一般不少于半小時。而設備供電一般指設備內部或外部的電源模塊。對于單電源模塊設備，如果外電中斷或者電源模塊自身故障，設備無法連續(xù)工作；如果是雙電源模塊設備，可切換至另一路繼續(xù)供電。

目前，常用的交換機、光收發(fā)設備、微波設備等設備一般采用直流電源供電。對于直流設備，若要使用外電或UPS輸出的電源，需要對交流電進行整流。整流的方式一般采用直流電源柜或外置開關電源模塊。直流電源柜成本高、占用空間較大，如果只為少量設備配置，性價比比較低，因此較多采用外置的開關電源模塊[3]。對于保障等級要求較高的傳輸設備，外置的開關電源模塊不僅不方便維護，其本身作為單節(jié)點設備，也無法實現(xiàn)雙電源倒換、負載均衡等保護[4]功能。

為降低單電源直流供電設備的供電風險，本文通過采用雙電源、獨立整流器、負載均衡輸出等技術，設計研制了小型化的直流單電源設備的雙電源熱備份供電設備，以提高直流電源設備的供電可靠性。

1 設計目標

根據(jù)以上對各種設備不同供電方式的表述，本文針對雙電源熱備份供電設備的設計目標如下。

（1）雙外電輸入、負載均衡輸出。可同時接入兩路不同外電，雙路外電同時為設備供電，避免單路長期承擔全部負載造成的老化，降低單路故障的可能，減少對設備的影響。

（2）獨立整流、并聯(lián)備份。外電通過不同的獨立整流器，兩套整流電路并聯(lián)使用，徹底消除電路單一節(jié)點，實現(xiàn)整流電路熱備份。

（3）故障自動切換。一路外電故障或整流器故障時，負載自動全部倒換至另一路供電，不影響設備功能。

（4）供電狀態(tài)顯示。直觀顯示正在使用哪路外電。

（5）小型化。設備體積1 RU，支持機架安裝。

（6）遠程監(jiān)控。設備具有通信接口，支持遠程監(jiān)控系統(tǒng)對設備供電狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2 設計方案

為實現(xiàn)以上目標，本文方案采用雙輸入、雙整流及二極管倒換等關鍵技術，供電流程如圖1所示，主要分為輸入部分、電源部分以及并聯(lián)部分。

輸入部分，雙路220 V交流輸入，根據(jù)臺站供配電配置情況，選擇兩路不同回路的外電接入。電源部分，兩套獨立的整流電路，互為備份，輸出指標優(yōu)良的48 V直流電源。并聯(lián)部分，利用二極管單向導通特性，實現(xiàn)電路并聯(lián)。

經過倒換的可靠直流電源，通過合路、分配成需要的路數(shù)，最終為直流設備供電。

3 具體實現(xiàn)

3.1 整體電路設計

本設備設計在一個1 U的標準機箱中，實現(xiàn)直流電源雙輸入雙整流的熱備份功能，具體電路如圖2所示。

圖2 直流電源設備電路圖

輸入端為交流220 V外電1#和2#，分別送入獨立整流電源，變?yōu)?#和2#直流，通過二極管的通斷功能，實現(xiàn)整流電源的熱備份、負載均衡和自動倒換輸出，達到直流不間斷供電的目標。在整流輸出和倒換后對電路電流、電壓狀態(tài)進行采集，并進行協(xié)議轉換，通過IP方式、網(wǎng)線接口進行遠程通信。

3.2 整流器電路

電源是向電子設備提供功率的裝置，提供電子設備中各部件運行所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響計算機的工作性能和使用壽命。電源主要有線性電源和開關電源兩種設計。開關式直流電源和線性電源的根本區(qū)別在于，它的變壓器不工作在工頻，而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關狀態(tài)。開關電源的優(yōu)點是效率高（可以達到80%～95%）、穩(wěn)定可靠，缺點是相較于線性電源紋波較大（一般不大于輸出電壓的1%），但在輸出端并接穩(wěn)壓二極管可以改善[5]。線性電源的工作方式，使它從高壓變低壓時必須有降壓裝置，再經過整流輸出直流電壓。這樣一來，它的體積就很大，效率低，發(fā)熱量也大?？紤]到設備體積限制和轉換效率，本文選擇開關電源作為220 V交流到48 V直流的整流裝置。

本設計中，單個整流器的電路由主電路、控制電路、檢測電路及輔助電源四部分組成，整體結構如圖3所示。

圖3 整流電路框圖

主電路包括沖擊電流限幅、輸入濾波器、整流與濾波、逆變以及輸出整流與濾波等部分。沖擊電流限幅是限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流，輸入濾波器的作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波，阻礙本機產生的雜波反饋回電網(wǎng)；整流與濾波部分將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，逆變部分是將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是整流電源的核心部分；輸出整流與濾波主要是根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

控制電路一方面從輸出端取樣，與設定值進行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使得輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經保護電路鑒別，提供控制電路對電源進行各種保護措施。

檢測電路提供保護電路中正在運行中的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。輔助電源實現(xiàn)電源的軟件啟動，為保護電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。

3.3 二極管電路

由于系統(tǒng)中存在雙電源，在實際情況下，并聯(lián)的雙電源的電壓不可能完全一致，必然存在電壓差，因此可能造成其中一個直流電源向另一個電源充電[6]。原理如圖4所示。當DC 1的正極電壓高于DC 2正極電壓時，電流會按照圖中箭頭方向移動，此部分電路產生較大電流，造成電路和DC 2短路。

圖4 雙電源電路反向充電

為避免上述情況發(fā)生，本文在電路中增加二極管，依靠二極管的單向導通特性，使得無論哪一個電源電壓較高，電流都只會按照一個方向移動，實現(xiàn)了雙路電源同時供電。甚至在一個電源電壓趨近于0時，另一個電源仍能為負載提供正常的電壓，這就等同于實現(xiàn)了自動倒換。

圖5 二極管實現(xiàn)單向導通

為使該設備實現(xiàn)最佳的電路性能，本文選用了肖特基二極管。此二極管的特性是正向壓降低，正常工作電流下僅有不到0.6 V，從而將電路的功耗損失和二極管的器件發(fā)熱量控制在合理范圍內。

3.4 機箱設計

機箱設計為1 U高度，同時兼顧高集成度和高性能。前后面板如圖6、圖7所示。

圖6 設備前面板圖

圖7 設備后面板圖

為滿足整流電源模塊的散熱需求，機箱上蓋板根據(jù)模塊風扇位置開孔，實現(xiàn)機箱上進風、側出風的散熱風道。

直流電源接口選用NEUTRIK帶鎖航空電源插頭和插座，實現(xiàn)電源線的快速拔插和可靠連接，可防止因電源線拉扯而造成電路中斷；通過RJ-45網(wǎng)線接口、IP輸出的方式，可以實現(xiàn)對2路電源及輸出電流、輸出電壓的遠程監(jiān)控。

4 設備測試

該設備完成設計并生產組裝后，進行了充分的性能與功能測試，各項指標滿足行業(yè)標準及使用需求，較好地達到了設計目標。

性能方面，輸出電壓精度在48 V±1%，輸出最大波紋與噪聲＜200 mV（峰-峰值），啟動時間＜16 ms。使用大功率可調電阻器作為負載，阻值設為7.2 Ω（負載為48×48÷7.2=320 W）測試單電源，持續(xù)工作30 min無異常；阻值設為3.6 Ω（負載為48×48÷3.6=640 W）測試雙電源，持續(xù)工作30 min無異常。滿負載穩(wěn)定工作30 min后，風扇工作正常，使用紅外測溫儀測量，機箱散熱口出風溫度＜70 ℃。

功能方面，前面板指示燈可根據(jù)整流模塊輸出狀態(tài)正常顯示。雙電源輸入時，中斷一路輸入，輸出正常且無閃斷，切換功能正常。

5 結 語

本文設計的設備在一臺1 U機架式設備上實現(xiàn)將220 V交流轉-48 V直流、負載均衡、雙路電源自動切換功能，為直流電源設備提供高可靠、易維護、高集成的供電保障。設備成本低，體積小，穩(wěn)定性高，并且充分考慮到廣電設備維護運行規(guī)范和慣例，適合在規(guī)模不大的廣電直流電源設備如微波傳輸系統(tǒng)設備上應用。該設備現(xiàn)已推廣至部分省級發(fā)射臺使用，反映良好，具有廣闊的應用前景。