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通信电源的发展及应用

发布时间: 2006-6-29  来源:
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中国通信电源情报网 中国电源学会 王其英 

一、通信电源的发展

  近10年来通信技术发展速度越来越快,网络带宽不断加大,这对通信系统的可靠性、可用性和准确性提出了更高的要求。通信电源是通信的基础设施,稍有差错就会导致严重的后果。实践中的统计结果证实,造成数据丢失、硬件故障和停机的主要原因是电源和温度,因此,提高电源的可用性势在必行。

  1.通信电源系统的配电方式

  通信电源系统有三种典型的配电方式:市电(包括双路供电),这是以往最常见的一种;市电UPS,这种方式多用于一些通信量大的系统和重要的通信中心等;发电机作为市电的后备电源,这种方式多用于非常重要的场合或电力条件差的地区。目前这三种方式中以第二种配电方式最为普遍。

  无论哪种配电方式,通信电源都是整个通信系统供电的最后一环,供电质量好坏直接影响着通信质量。通信电源由市电供电时,由于市电的电压变化范围较大,尤其是低电压时间较长时,会导致电池频繁放电,即使前面有UPS,一旦由于某种原因使供电切换到旁路时,仍然是直接由市电供电;通信电源由发电机供电时,频率和电压都不如市电稳定,也会导致电池放电,降低电池的使用寿命。

  2.通信电源的发展

  随着电力电子理论和技术及功率电子器件的不断发展,整流设备经历了几个发展阶段:20世纪60年代到80年代,相控整流器主要采用可控硅作为功率整流器件;从20世纪80年代初开始,英国高频开关整流器进入商用阶段,其发展异常迅速;进入20世纪90年代,以绝缘栅功率晶体管(IGBT)和功率场效应管(MOSFET)为功率变换器件的高频开关整流器,逐步取代了相控整流器。高频开关整流器的应用,是功率电子学理论和技术及功率电子器件的发展取得的重大成果,整流器的效率和功率因数提高了,体积和重量大大减小,能耗降低,材料消耗降低,噪声也降低了,整流器的整体质量和可靠性不断提高,加上模块化的结构设计和计算机技术的广泛应用,其智能程度大大提高,网络管理更加容易。近年的软开关技术使通信电源又登上了一个新的台阶,通信电源本身功耗变得更小,温度更低,体积和重量都有大幅度下降,也降低了对环境的要求。

二、高可靠性与可用性

  可靠性是通信电源设备的首要指标,通信的不间断性首先要由通信电源予以保证。

  1.可靠性(R)

  可靠性反映的是设备综合技术水平,包括器件、材料、电路技术、热设计、电磁兼容(EMC) 设计、制造工艺、质量控制等。我国在《通信局站电源系统总技术要求》中提出的可靠性指标是,在系统运行期间,平均无故障工作时间MTBF应不小于 5×104(h)。显然,在今天,该要求还应该进一步提高,因此引出了可用性的概念。可用性与可靠性的不同之处在于:可靠性R是指设备在规定时间内不出故障的概率,它的表达式为:

  R=e-αt =e-t/MTBF (1)

  式(1)中,t 是指定的工作时间(单位为小时h),在这里是5年,即:

  t = 5×365×24=43800(h) (2)

  α是故障率,它是平均无故障时间MTBF的倒数,MTBF取最小值时:

  MTBF = 5×104(h) =50000 (h) (3)

  代入式(1)后可靠性为:

  R=e-43800/5000=e-0.876=0.416  

       (4)
  以上结果表明,MTBF取规定值的最小值时,系统可靠性非常低,所以通信电源的平均无故障工作时间是衡量质量的非常重要的指标。

  2.可用性(A)

  可用性A是指在规定时间内,设备有效工作时间的百分比,其表达式为:

  A=MTBF/(MTBF+MTTR) (5)

  MTTR中是平均维修时间,如果MTTR的取值趋于0,那末A的取值趋于1,所以缩短维修时间是提高可用性的一个主要途径。

  一般可用性也用时间表示,不同的是常常利用电源的允许故障时间t来表示,其表达是为:

  t =指定的工作时间段×(1-A) (6)

  比如在这个例子中设MTTR=4 (h),由式(3)得A=0.99992,于是

  t =5×365×24×(1-0.99992)=3.504(h)

  即当平均维修时间MTTR为4h时,5年中机器不可用的时间为3.5h时,缩短维修时间对系统来说非常重要。

  3.提高可用性的途径

  (1)缩短维修时间MTTR,为了实现这个要求,厂商一般都把通信电源做成模块结构。

  (2)采取冗余并联措施,如果单台电源的可靠性只有0.416,则2台电源冗余并联后总的可靠性就是0.659(R2=1-(1-R)2=1-(1-0.416)2=0.659)。如果3台冗余并联,其可靠性就可以更高,依次类推。

  (3)提高电源中元器件的档次。虽然采用冗余并联的办法可以提高可用性,但如果单个电源的可靠性上去了,就可减少电源的并联个数。尽管电源中元器件的寿命或可靠性是有限的,不可能做得非常高,但如果选择高档的元器件,可以大幅度地提高整体可靠性。

  提高供电设备的可靠性和降低他们的均维修时间MTTR是提高可用性主要的手段,二者不可偏废。

三、通信电源的主要技术指标

  一台通信电源中的元器件和设计方案的好坏,可以用如下的主要技术指标来进行衡量。

  1.高效率、高输入功率因数

  (1)效率

  效率标志着电源的可靠性,设备都是在高温下更容易出故障。因为电路元器件理想指标的温度是25°C,在这个基础上每升高10°C,元器件的寿命就减半。高效率意味着本身功耗小,机内温升低,元器件服务期就可延长,这不仅节省能源,而且也会使设备的热设计变得简单,对设备的小型化十分有利。高频开关整流电源为减小设备重量和体积、提高动态品质,使工作频率变得越来越高,某些整流器开关频率达到了200kHz,开关过程功耗成为内部功耗的主要因素。近几年来软开关技术,即“零电压开关”(ZVT)和“零电流开关”(ZCT)技术得到了普遍应用,在理论上可以使开关损耗为零。目前高频开关电源的效率一般都达到90%以上,最高的达到了93%。

  (2)输入功率因数

  输入功率因数高,可靠性也就高。通信环境最怕干扰,这种干扰轻则使信号失真,重则使信号中断。如果对电源本身的输入整流器工作不加任何限制,电源就会产生30~50%的谐波电流干扰电网,使该电网变成干扰源,以传导和辐射的形式影响和破坏通信设备的功能。高频开关整流电源的功率因数由相移和波形失真两部分决定,高频开关整流电源在设备中普遍采用了功率因数校正电路,不仅降低了无功损耗,而且减小了干扰。目前电源的输入功率因数一般都在0.97以上,有的已达到0.99以上,可把谐波电流压低到3~5%以下,保证通信的顺利进行。

  2.电磁兼容

  通信电源的电磁兼容有两方面的含义,一是抵抗外来干扰的能力,这个能力越强越好;二是对外施放干扰的强度,这个强度越弱越好。因为目前的通信电源电路多是脉宽调制(PWM)工作方式,这种方式容易产生干扰,国际上对这种干扰制定了标准,例如对外辐射标准EN50081-1和抗干扰标准EN50082-1,符合了这两种标准,就可使通信环境达到比较理想的状态。

  3.对环境的适用性

  不同环境中,通信电源的工作条件和环境差异极大,如个别移动通信基站及偏僻地区中继站的市电交流电源,工作条件恶劣,不但电网电压变化大,电压的品质也很差,工作环境的温度低的达到-40°C,高的达到60°C以上,这就对电源设备的适用性提出了非常苛刻的要求。

  (1)输入电压范围要宽

  良好的适用性要求通信电源有宽范围输入电压的适应能力,即使在电网电压波动大的地区也能正常工作,这样就可减少电源输出端电池的放电次数,使电池不至于过早结束寿命。比如PC1200和MX28B系列通信电源就有着±20%以上的输入电压适应能力,甚至TWF0500系列可将输入电压适应能力扩展到88~264VAC,这就为恶劣环境下通信系统的供电条件提供了可靠的基础。

  (2)运行温度和湿度范围要宽

  在现代化机房等条件优越的环境中,温度和湿度都被严格控制在规定范围内,但通信电源的工作环境多数情况还是不理想。为了保证正常工作,就必须要求电源有耐高温和高相对湿度的能力,工作温度达到-40°C~+70°C、相对湿度可在85%以上的电源系统可适应多种环境的工作。

  (3)绝缘强度和安全标准

  绝缘强度的指标很重要,一般要通过几个高压测试指标,比如输入端到地加1.5kVAC、输出端到地加500VAC和输入输出端加3kVAC等测试电压,又例如加电一分钟,漏电流小于规定值(电流小于10mA等),通过测试的产品就可以比较放心地使用。

  为了机器和人身的安全,国际上各国都制定了相应的电源安全标准,如美国的UL、加拿大的CSA、德国的TüV及欧洲的CE等,在没有国标的情况下,也应该有相应的行业标准。如果电源没有符合这些标准的标志或说明,在使用中就令人担忧了。

  4.功率密度

  提高电源设备的容量与体积之比(即功率密度),是通信电源发展的普遍趋势。开关工作频率的提高、效率的提高、半导体器件和电路的集成化及磁性元件与电路的集成化,都将使电源设备的重量和体积进一步减小,即功率密度越来越大。目前,一个风冷式的48V 50A的高频开关整流器,其功率密度可高达475mW/cm3,重量只有5kg。

  通信电源结构和电路设计使模块智能化,也是今后高频开关电源发展的方向。

  5.其它要求

  为了便于使用和维护,要求电源具有过流、过压、短路保护功能,热插拔功能,指示和告警功能,温度控制和补偿功能等等。当前的电源发展应是朝着高频化、小型化、智能化和绿色化的方向。

四、通信电源的选择

  在通信事业蓬勃发展的今天,通信电源制造业竞争加剧,除了一些骨干企业外,还有一些中小型制造厂的产品也融入市场。竞争的焦点仍然是价格,往往有的人把价格低和性价比混为一谈,其背后不可避免地存在一个质量问题,在选择通信电源时应注意以下几个方面。

  1.质量与服务

  一般说,正规厂家大都经过了ISO9000的认证,产品开发和生产都建立了严格的质量控制流程,产品质量有保证,产品的延续性也较长,今后维修备件的供应有保障。但正规厂家的服务也是参差不齐的,某些厂家服务态度尽管非常好,但由于产品的质量欠佳,故障接连不断,这也是用户所不希望的。因此,质量与服务二者必须具备。

  2.产品的综合指标要好

  使产品的一两项指标好是不难做到的,若各项指标都好,离不开优秀的电路设计思想和元器件的质量保证,也离不开良好工艺和流程控制。综合指标对保证通信电路的正常工作有着重要意义。

  3.产品价格

  关于电源的价格,一直是人们感到很敏感的话题。在“性价比”的概念上,切忌认为价格低就是“性价比”好。质量过硬的产品为了保证良好的综合指标,选择优质的元器件以及采用精良的工艺,其生产成本必然不会低于低档产品,性能和价格的综合因素才是评判产品的正确定位,用户采用电源设备的目的是为通信设备和网络提供动力和保障,尤其在重要环节和信息中心,电源故障会造成不可弥补的损失和不良的影响,建议采购电源产品时一定要全面考虑,谨慎选择。

摘自<>


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