劉學(xué)鋼

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

在工業(yè)化發(fā)展期間，大功率設(shè)備應(yīng)用廣泛，對(duì)電源模塊的可靠性提出了更高要求。尤其對(duì)于通信平臺(tái)而言，為滿足通信需求，通信平臺(tái)對(duì)電源模塊的依賴程度較高，在長(zhǎng)期發(fā)展中，電源模塊已成為通信平臺(tái)正常運(yùn)行的核心裝置。為滿足各行各業(yè)對(duì)電源模塊的要求，高性能和高頻化已成為電源模塊主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，在本次研究中將結(jié)合某通信平臺(tái)對(duì)冗余電源模塊的高可靠要求展開設(shè)計(jì)分析。

1 電源模塊分類

電源模塊隨著電子行業(yè)的發(fā)展，其種類逐漸豐富，用以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景。在電源模塊應(yīng)用時(shí)，需結(jié)合自身需求選擇適宜類型。以電源模塊輸入輸出類型為指標(biāo)，可分為直流輸入DC-DC電源模塊、交流輸入AC-DC電源模塊以及DC-AC逆變電源。以電源模塊輸出功率為依據(jù)，DC-DC電源模塊可分為微、小、中、大功率，功率范圍分別為0.1～3 W、1～30 W、50～200 W、＞200 W，而AC-DC電源模塊可進(jìn)一步劃分為小、中、大功率，功率范圍分別為3～36 W、50～3 200 W、＞200 W。以輸入電壓范圍為依據(jù)進(jìn)行劃分，DC-DC電源模塊可細(xì)分為寬范圍電壓輸入、穩(wěn)定電壓輸入以及超寬電壓輸入，而AC-DC電源模塊可分為三相四線制輸入（380 V交流）、其他交流電壓輸入以及常規(guī)輸入（85～265 V交流）。以輸出精度為劃分依據(jù)，可將DC-DC電源模塊劃分為可調(diào)輸出、穩(wěn)壓輸出以及非穩(wěn)壓輸出，而AC-DC電源模塊僅可分為可調(diào)輸出和穩(wěn)壓輸出兩種。此外，將應(yīng)用場(chǎng)合作為劃分依據(jù)，可分為通信電源、電力電源、民用電源、軍用電源、醫(yī)療電源、航天電源以及工業(yè)電源等[1]。電源模塊具有體積小、易更換以及性能優(yōu)異等特點(diǎn)，部分類型電源模塊可實(shí)現(xiàn)冗余供電，其種類雖多，但多為開關(guān)電源設(shè)計(jì)，并滿足不同場(chǎng)景下的電源模塊需求。

2 通信平臺(tái)電源模塊設(shè)計(jì)實(shí)例分析

所選用設(shè)計(jì)實(shí)例為軌道交通通信平臺(tái)，其對(duì)電源模塊設(shè)計(jì)提出了更高的可靠性要求，且需電源模塊具有冗余電源設(shè)計(jì)，具有兩種直流電壓。為滿足該通信平臺(tái)要求，以下展開針對(duì)性電源模塊設(shè)計(jì)[2]。

2.1 明確整體框架

圖1為本次電源模塊設(shè)計(jì)框架，為滿足該通信平臺(tái)要求，采用220 V和48 V兩種直流電壓，同時(shí)該通信平臺(tái)對(duì)輸出功率具有較高標(biāo)準(zhǔn)。在本次設(shè)計(jì)中，直流220 V和直流48 V對(duì)應(yīng)輸出功率需不低于2 000 W和600 W，為高功率設(shè)計(jì)。在整體設(shè)計(jì)中，從直流220 V和直流48 V兩個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中直流220 V電路包括整流電路、開關(guān)控制電路、濾波電路以及開關(guān)等，而直流48 V電路需考慮轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及輸入保護(hù)等，兩種輸出電路需實(shí)現(xiàn)負(fù)載共享。為實(shí)現(xiàn)電源模塊高可靠目標(biāo)，需額外注意各類電路的控制工作，并結(jié)合其對(duì)冗余電源模塊的要求科學(xué)設(shè)計(jì)冗余電路[3]。

圖1 電源模塊設(shè)計(jì)框架

2.2 主電路設(shè)計(jì)

2.2.1 直流220 V主電路設(shè)計(jì)

在直流220 V主電路設(shè)計(jì)中，為保障電源模塊整體功能，需盡可能降低電路噪聲及紋波，將濾波電路加入到電路輸入端。采用LC-π型濾波電路，該濾波電路雖具有沖擊電流大的缺點(diǎn)，但可靠性優(yōu)點(diǎn)較為突出，因此在本次高可靠電源模塊設(shè)計(jì)中選用該型號(hào)的濾波電路最為適宜。過載、過壓以及短路問題為常見電源模塊的故障形式，極大影響了電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性。為杜絕以上故障問題，在本次直流220 V主電路中采用固態(tài)繼電器，用以控制交流220 V輸入端，此外電路外部具有控制板卡，可識(shí)別過載、過壓以及短路問題，并向電源模塊傳遞開關(guān)控制信號(hào)，此時(shí)固態(tài)繼電器開關(guān)將斷開，關(guān)閉輸出，確保電路效果。固態(tài)繼電器具有高可靠、抗干擾、觸點(diǎn)反應(yīng)快以及壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的防腐蝕、防爆及耐沖擊能力。運(yùn)用微小信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流負(fù)載，在該通信平臺(tái)電源模塊設(shè)計(jì)背景下，運(yùn)用固態(tài)繼電器可滿足設(shè)計(jì)要求，最大程度保障電源模塊可靠性。橋式、全波以及半波為當(dāng)前最常用的整流電路形式，在本次電源模塊設(shè)計(jì)中選用橋式整流電路（具體如圖2所示），此外該通信平臺(tái)電源模塊為高功率設(shè)計(jì)，電源功率要求較高，因此采用高功率橋式整流器，正向電壓和反向峰值電壓分別為1.1 V、1 kV，正向電流和最大浪涌電流分別為15 A、300 A，以此滿足電源模塊對(duì)輸出能力的要求，提高電源模塊設(shè)計(jì)效果[4]。

圖2 電源模塊中的橋式整流電路

2.2.2 直流48 V主電路設(shè)計(jì)

直流48 V主電路設(shè)計(jì)需考慮濾波電路及輸入保護(hù)。產(chǎn)生過載、過壓以及短路問題時(shí)，電路內(nèi)將因電流過大而導(dǎo)致保險(xiǎn)絲溫度過高，并進(jìn)入高阻態(tài)狀態(tài)，此時(shí)電路電流將關(guān)斷。為提升電路整體性能，可采用PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。當(dāng)過載、過壓以及短路問題排除后，保險(xiǎn)絲可自主恢復(fù)至常規(guī)狀態(tài)，使電源模塊電路及時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，提升電源模塊可靠性。直流48 V主電路中的濾波電路與上述直流220 V主電路類似，采用LC-π型濾波電路，最大程度確保電源模塊可靠性。保障電源模塊整體性能，需通過轉(zhuǎn)換電路將交流220 V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?8 V，滿足電源模塊設(shè)計(jì)要求。此外，在本次設(shè)計(jì)中，AC-DC電源模塊功率為700 W，寬輸入范圍為交流85～264 V，高功率因數(shù)及高效率參數(shù)分別為99%、98%，功能全面，可實(shí)現(xiàn)輸出過壓保護(hù)、欠壓封鎖保護(hù)以及過流保護(hù)，以此提升電路穩(wěn)定性。同時(shí)本次電源轉(zhuǎn)換模塊選用COSEL公司產(chǎn)品，具有去耦電容、輸入輸出濾波電容、限流電阻、放電電阻以及整流二極管等元件。其中，去耦電容主要為抵御電磁輻射高頻干擾；輸入輸出濾波電容可進(jìn)行濾波，保障電路穩(wěn)定；限流電阻具有熱熔斷功能及限流功能，可良好控制機(jī)溫度，避免因高溫問題損壞電源，確保電源可靠性；電源模塊內(nèi)部存有電荷，使用者易受到觸電威脅，而放電電阻可避免電荷對(duì)使用者造成損傷，提升電源模塊安全性；放電電阻串聯(lián)設(shè)置進(jìn)行分壓，以此避免放電電阻造成功率損耗；整流二極管為并聯(lián)分流設(shè)置，主要作為保護(hù)元件，降低損壞率，并實(shí)現(xiàn)冗余并聯(lián)N+1功能，全方位保障線路穩(wěn)定[5]。通過合理的電子元件選用確保電源模塊可靠性。

3 提升通信平臺(tái)電源模塊可靠性的設(shè)計(jì)方法

為進(jìn)一步提升電源模塊可靠性，以下從開關(guān)控制電路、電壓采集電路、冗余電源設(shè)計(jì)以及模塊散熱設(shè)計(jì)4個(gè)方面展開介紹，以總體設(shè)計(jì)框架為依據(jù)，從不同角度確保設(shè)計(jì)可靠性。

3.1 開關(guān)控制電路

從上述設(shè)計(jì)分析中可知，在本次電源模塊設(shè)計(jì)中，通過固態(tài)繼電器關(guān)斷故障時(shí)的220 V直流電壓起到防護(hù)效果。為保障固態(tài)繼電器功能完整，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)保護(hù)電路，本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用光耦合器，用以控制固態(tài)繼電器狀態(tài)，將外部信號(hào)傳遞至固態(tài)繼電器，構(gòu)建開關(guān)控制電路。選用光耦合器的原因主要在于其抗干擾效果優(yōu)異、傳輸效率高，且可在輸出端和輸入端間構(gòu)建電氣隔離，極大保障電源模塊穩(wěn)定性，促進(jìn)高可靠電源模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[6]。

3.2 電壓采集電路

過載、過壓以及短路等問題故障可極大影響電源模塊穩(wěn)定性，故障發(fā)生時(shí)需第一時(shí)間處理。為確保電源模塊運(yùn)維人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題，在本次電源模塊設(shè)計(jì)中增設(shè)電壓采集電路，并連接外部設(shè)備，可提供直流電壓。了解電源模塊實(shí)時(shí)狀態(tài)，便于運(yùn)維人員第一時(shí)間處理解決故障問題，提升電源模塊可靠性[7]。

3.3 冗余電源設(shè)計(jì)

通信平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間工作運(yùn)行對(duì)電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性提出了高標(biāo)準(zhǔn)，為滿足通信平臺(tái)對(duì)冗余電源的要求，本次將針對(duì)該通信平臺(tái)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，確保電源模塊穩(wěn)定性。在當(dāng)前冗余電源模塊設(shè)計(jì)中，通常配備兩個(gè)及其以上電源，若某電源在運(yùn)行期間發(fā)生故障問題，則不會(huì)干擾其他電源，以此維持通信平臺(tái)正常工作，實(shí)現(xiàn)無間斷運(yùn)行。此外，故障電源可在不影響整個(gè)通信平臺(tái)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行更換[8]。容量冗余、冗余備份（冗余冷備份、冗余熱備份）以及并聯(lián)N+1備份為常用電源冗余方式。其中，冗余冷備份主要指通信平臺(tái)在工作期間僅有單一模塊進(jìn)行供電，其余預(yù)備模塊僅可在出現(xiàn)故障問題時(shí)啟動(dòng)，并進(jìn)入供電狀態(tài)。該方式最顯著的缺陷在于電源切換較慢，且在切換期間易出現(xiàn)電源豁口，即設(shè)備中斷運(yùn)行。冗余熱備份指僅單一模塊進(jìn)行工作，其余模塊為空載狀態(tài)，若此時(shí)產(chǎn)生故障問題，則空載模塊立即調(diào)整為供電狀態(tài)。在此過程中，主電源負(fù)載較大，易引發(fā)故障問題，但具有電壓穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)[9]。容量冗余指冗余電源模塊負(fù)載承擔(dān)能力需大于實(shí)際負(fù)載，若采用容量冗余方式設(shè)計(jì)電源模塊，則無法解決單點(diǎn)故障問題，與高可靠性目標(biāo)相悖，應(yīng)用效果不佳。并聯(lián)N+1備份是通過二極管或門電路進(jìn)行模塊單元并聯(lián)，通信平臺(tái)運(yùn)行期間將由各模塊共同供電。在此狀態(tài)下，各電源模塊負(fù)載均衡，若某一電源模塊出現(xiàn)故障問題，則由其余電源模塊分?jǐn)偣收夏K的負(fù)載，有助于提升電源模塊穩(wěn)定性。經(jīng)上述分析，為滿足高可靠性設(shè)計(jì)要求，本次選用并聯(lián)共享負(fù)載的形式用以緩解電源負(fù)載，此時(shí)需確保單個(gè)電源模塊規(guī)格符合滿負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)，若發(fā)生故障則不會(huì)干擾整體供電效果，兼顧并聯(lián)N+1備份及冗余熱備份兩種形式優(yōu)點(diǎn)。

3.4 模塊散熱設(shè)計(jì)

模塊散熱設(shè)計(jì)不僅可便于電源模塊散熱，更可降低模塊間的干擾效果。為確保電源模塊整體穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)期間需最大程度保障兩路直流電路各模塊均勻分布。在PCB板標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)增加間距間隔，電容需與元件緊靠設(shè)置，除此之外，由于本次所設(shè)計(jì)的電源模塊功率較高，其產(chǎn)生的熱量較大且能耗較高，為滿足電源模塊散熱標(biāo)準(zhǔn)，需在高能耗元件外設(shè)置散熱片，并于電源模塊機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)散熱風(fēng)扇，最大限度控制電源模塊溫度，使電源模塊維持在高可靠性運(yùn)行狀態(tài)下[10]。

4 結(jié) 論

電源模塊按不同分類方式分為多種形式，設(shè)計(jì)通信平臺(tái)中的電源模塊時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)。本次所選用的案例通信平臺(tái)中，對(duì)可靠性較高的冗余電源模塊具有高標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)前依據(jù)其實(shí)際需求完成整體框架設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)思路，對(duì)電源模塊常見過載、過壓以及短路等問題進(jìn)行保護(hù)，完成設(shè)計(jì)后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果穩(wěn)定，設(shè)計(jì)較為成功。