数字控制通讯电源高压防护研究

张 伟，刘 辉，郑大成，周华敏

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳518055）

1 通讯电源的高压防护概述

随着通讯技术的高速发展，通讯设备对于电力供应系统的要求也日益增高。根据各类应用的具体需要，通讯电源通常组成各种容量的供电系统对通讯设备进行供电。通讯电源的交流输入通过交流接触器或空气开关直接与交流电网相连接，当交流电源输入产生长期高压或三相掉零线时，虽然此时电源交流输入过压保护没有功率输出，但是其输入电路仍然没有脱离电网，如果电源或负载系统不采取措施，就会损坏整流桥后面输出滤波的电解电容，造成电解电容爆裂，甚至引起电源起火，造成负载系统的工作中断。

通讯电源的高压防护是为了防止交流输入电压过高，造成电源内部器件损坏而采取的一种防护措施。由于成本或技术的问题，大多数通讯电源系统对输入高压没有采取任何保护措施，目前现有的一些电源保护措施主要包括以下两种：

（1）系统保护方法。当检测到交流输入电压过高或三相掉零线时，利用系统的交流接触器断开交流输入，达到保护电源的目的。这种系统级别的高压防护方法需要增加一套与电网永久连接的电源及检测电路和控制电路，不仅成本大大增加，而且也增加了系统的额外功耗，关键其本身就存在着高压防护和可靠性的问题，要求设计余量较大，成本很高。

（2）通讯电源单体自身保护方法。如图1是一种常用的高压防护电路，正温度系数热敏电阻PTC（Positive Temperature Coefficient）串入启动缓冲电路，正常工作后，PTC被与之并联的继电器短路。交流输入过压时用一个或两个继电器将主功率电路断开，利用PTC发热时呈高阻状态的特点，来限制主功率电路的电流和压降，从而实现对主功率电路整流后滤波电容的过压保护。虽然该方法成本相对不是很高，但该方法的有两个缺点：

图1 传统高压防护电路

（1）高压防护保护速度慢。PTC从发热使其内阻达到满足要求需要较长时间，从而导致保护速度长达数秒至数十秒，在这段时间内很容易发生PFC输出滤波电解电容损坏。而且该方法的保护性能同输入过压的大小和过压保护后负载电流有关。如果过压或负载电流越大，则当过压保护时流过PTC的电流也较大，PTC发热也较快，使得保护速度较快；反之，保护速度较慢。另外当过压保护时，主功率回路仍然接在交流电网上，继电器处于间歇式断开和吸合的工作模式，整流桥后面电解电容上电压维持在交流输入过压的峰值电压之上和电解电容过压保护电压之下，此时电解电容上的电压应力偏高，不利于长期可靠的工作。

（2）动作时流过继电器的冲击电流大，影响继电器寿命。过压保护后，由于损耗PFC输出电压会恢复到正常电压。如果此时交流输入电压仍然很高时，控制电路使得继电器K吸合给电解电容C充电，由于交流输入电压与电解电容上C的电压存在很大的电压差，且两者之间没有限流电阻，所以通过继电器K触点的电流会很大，触点多次动作后会损坏。其表现为，第一：继电器K的触点可能会因流过的电流太大而粘连不能自动断开时，此电路的功能就会失效，导致电解电容C损坏；第二：继电器K的触点可能会因流过的电流太大而部分损坏，导致触点的接触电阻增大。电源正常工作时继电器K的触点流过正常的负载电流，因接触电阻增大而持续发热，导致继电器K损坏，电源不能正常工作。

2 高压防护数字控制系统介绍

通讯电源高压防护数字控制系统结构框图如图2。该控制系统以TI公司的Piccolo系列数字信号控制器DSC（Digital signal controller）芯片TMS320F28 03x为主控芯片，该DSC有如下特性：高效率32位CPU（TMS320C28X内核架构）；可编程的控制加速器功能（CLA）；时钟支持动态的PLL设置，其内部有看门狗模块和掉电检查电路，同时时钟模块提供两种操作模式：晶振操作和外接时钟源操作；多达45个可独立编程的、带有输入滤波的、多功能复用的通用输入／输出口；外设中断扩展模块能够支持所有外围设备的中断；具有3个片内32位的CPU定时器；每个ePWM模块自带一个独立的16位定时器；片上存储器包括：闪速存储器（FLASH）32K×16、静态随机存储器 （SARAM）10K×16、一次性编程只读存储器（OPT）8K×16和只读存储器（Boot ROM）8K×16；128位的安全密钥；串口外围设备接口；高级的仿真特性；改进型的控制与外设接口。

图2 高压防护数字控制系统框图

通讯电源高压防护数字控制系统还包括交流电压采样电路、PFC输出电压采样电路、高压防护控制电路和PFC PWM驱动控制电路。数字信号控制器完成输入交流电压和PFC输出电压的采样和计算，并根据计算结果对高压防护电路中的主继电器K1、辅助继电器K2及PFC PWM驱动信号进行控制，进而完成高压防护的功能。

3 高压防护控制策略

图2中高压防护电路由主继电器K1、辅助继电器K2和正温度系数热敏电阻PTC构成。主继电器K1常开触点连接到主电路中，辅助继电器K2常闭触点连接到主电路中。

通讯电源高压防护数字控制系统的软件设计需要考虑实时性、可靠性同时要尽量少的占用DSC系统资源。软件设计按照“高内聚，低耦合”的原则将软件程序划分为交流输入电压有效值计算、PFC输出电压Ubus计算、高压防护控制三个模块。交流输入电压有效值计算通过对一个交流周期内AD采样值的平方累加和求平均后开方得到，PFC输出电压Ubus通过对AD采样做平均值数字滤波算法得到。高压防护控制模块软件流程如图3。

图3 高压防护控制模块流程图

DSC检测到交流输入过压时控制主继电器K1断开，DSC检测到PFC输出电压Ubus超过保护值时，控制辅助继电器K2立即断开，从而实现对主回路的高压防护。此外考虑交流输入电压或PFC输出电压恢复正常时电源可以快速启动，高压防护后需保持PFC输出电压维持在Ubus过压恢复点之上，因此高压防护后当PFC输出电压低于Ubus过压恢复点时辅助继电器K2需重新闭合。K2闭合后交流输入通过PTC和K2为PFC输出电容充电，当PFC输出电压达到Ubus过压保护点时，辅助继电器K2再次断开。

交流输入电压正常时，辅助继电器K2吸合，通过PTC电阻给电解电容充电，此时的充电电流限定在预定范围内，当DSC检测到电解电容上的电压与交流输入电压峰值接近时主继电器K1才吸合。这样可以减小闭合继电器时的冲击电流。

4 实验结果

对采用本文所述高压防护电路及控制方法的数字通讯电源进行了高压防护功能的实验验证。图4为交流输入电压在正常范围时主继电器K1驱动（驱动为低电平主继电器断开，驱动为高电平主继电器闭合），辅助继电器K2驱动（驱动为低电平辅助继电器闭合，驱动高电平辅助继电器断开），输入电流（用于观测流过继电器的电流），PFC输出电压的波形。图5为交流输入过压时的波形。从图4、图5波形可以看到采用高压防护策略后有效地将PFC输出电压控制在PFC输出电容耐压值之下，而且在继电器动作过程中流过继电器的电流没有超过设计范围，从而保证了PFC输出电容和继电器的可靠性。

图4 交流输入正常时波形

图5 交流输入过压时波形

5 结语

本文分析了不同通讯电源高压防护电路的优劣，给出了一种数字控制通讯电源交流输入高压防护电路及其控制方法。该方法通过检测交流输入电压和PFC输出电压状况做出智能判断，控制主继电器和辅助继电器的断开和吸合状态，并通过实验验证其功能符合高压防护要求，解决了通讯电源高压防护时的可靠性问题。采用该电路及控制策略的通讯电源已批量生产，运行稳定，高压防护效果良好。

［1］YDT731－2008.通信用高频开关整流器［S］.2008.

［2］江思敏.TMS320C2000系列DSP开发应用技巧［M］.北京：中国电力出版社，2008.