通信平台中的高可靠电源模块设计

张 鑫，师 进，韦 文，王 欣

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

随着工业化进程的快速发展，各类设备功率越来越大，大功率高可靠电源的应用日益广泛，尤其是在通信领域，更是对大功率高可靠电源有着强烈的依赖[1]。电源作为保障轨道交通通信平台长期稳定工作的核心，电源设计的可靠性将起到至关重要作用[2]。目前，电源模块的设计主要向着高频化、高功率密度、高性能、高可靠方向发展。在满足电源电压需求的情况下，更有效地减小电源系统的体积，这也对电源稳定性提出了更多挑战。为此，本文将研究在满足通信平台电源需求的基础上，设计合理且高效的电源电路，并从几个方面重点研究如何提高电源电路设计的可靠性，满足轨道交通对通信设备对电源模块高可靠性的要求。

2 高可靠电源模块整体框架

电源模块设计方案整体结构如图1 所示。该电源模块将为通信平台各板卡分别提供DC 220 V 和DC -48 V 两种输出，且DC 220 V 输出功率不低于2 000 W，DC -48 V 输出功率不低于600 W，属于高功率电源设计[3]。

图1 高可靠电源模块设计方案结构框图Fig.1 Structure diagram of high reliable power module design scheme

电源模块结构中主要包含DC 220 V 输出电路和DC -48 V 输出电路两部分。其中，DC 220 V 输出电路包含开关、滤波电路、开关控制电路、整流电路等。DC -48 V 输出电路包含输入保护及滤波电路、AC-DC 转换电路等。两种输出均增加电路设计，支持多个模块并联实现共享负载功能。此外，使用DC-DC 电路输出DC 12 V 对散热风扇进行供电。

为保证高功率电源模块的可靠性，本方案主要通过开关控制电路、电压采集电路、冗余电路、模块散热等方面的设计提高其可靠性。

下面将分别介绍各主电路设计方案以及提高可靠性设计的具体方案。

3 高可靠电源的主电路设计

3.1 DC 220 V输出主电路设计

DC 220 V 输出主电路设计包含滤波电路设计、开关控制电路设计、整流电路设计等。

3.1.1 滤波电路设计

为最大化降低电路中的纹波与噪声，DC 220 V与DC -48 V 电路的输入端分别加入了滤波电路。

滤波电路具体采用LC 双π 型滤波器，如图2所示。虽然该型滤波电路有着外特性较为软、冲击电流相当大的缺点，但它的脉动系数小，波形平滑，可靠性高[4]。

图2 滤波电路示意图Fig.2 Schematic diagram of filter circuit

3.1.2 开关控制电路设计

为保证220 V 直流输出的电源可靠性，防止输出端出现短路、过压、过载等故障，方案中采用固态继电器来控制滤波后AC 220 V 电压输入端。当上述故障出现时，外部处理控制板卡负责故障检测和判断，并向本电源模块输入开关控制信号，触发固态继电器开关断开，从而达到关闭220 V 输出、导向安全侧的效果。该电路如图3 所示。

图3 开关控制电路示意图Fig.3 Schematic diagram of switch control circuit

固态继电器（Solid State Relay）是采用电子器件组成的无触点开关，且具有继电器特性，输入输出间为光隔离，其特点是触点速度快、抗干扰能力强、高可靠、长寿命。同时固态继电器具有耐冲击、防爆、防腐蚀等特点，能以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。采用固态继电器可满足本电源模块需求。

3.1.3 整流电路设计

常用的整流电路有3 种，包含半波整流电路、全波整流电路以及桥式整流电路[5-6]。本次设计采用桥式整流电路，如图4 所示。

图4 桥式整流电路结构示意图Fig.4 Structure diagram of bridge rectifier circuit

本次设计的电源功率较高，整流二极管采用高功率桥式整流器，正向电流可达15 A，反向峰值电压1 kV，正向电压1.1 V，最大浪涌电流300 A，满足本电源的输出能力要求。

3.2 DC -48 V输出主电路设计

DC -48 V 输出主电路设计包含输入保护及滤波电路设计、AC-DC 转换电路设计等。

3.2.1 输入保护及滤波电路设计

保护方面，在AC-DC 模块输入端加入了自恢复保险丝PTC。当输入电压发生短路、过压、过流等故障时，保险丝因电流过大导致温度过高，使其跃迁到高阻态，电流被迅速关断。待故障排除后，保险丝可自动恢复到正常状态[6]。

滤波方面，采用的电路原理与上文类似，即LC双π 型滤波器。

该部分电路如图5 所示。

3.2.2 AC-DC转换电路设计

图5 输入保护及滤波电路示意图Fig.5 Schematic diagram of input protection and filtering circuit

AC-DC 转换电路可将滤波后的AC 220 V 转换为DC -48 V。其中AC-DC 模块应采用高功率（700 W）、宽输入范围（AC 85 ～264 V）、高效率（90%）、高功率因数（93%）的电源模块，并应具备多种保护功能，包括输入欠压封锁、输出过压保护、过流保护等。该部分参考电路如图6 所示（以COSEL 公司电源转换模块为例）。

其中各外围器件的功能作用介绍如下。

1) 输入输出滤波电容（C6～C8，C17，C20）：对输入输出电压进行滤波、去纹波。

2) 去耦电容（C9）：主要去除通过电磁辐射进入的高频干扰。

3) 限流电阻（R5）：若R5没有接通，则电源无法工作，因此使用有热熔断功能的R5可在限流的同时防止温度过高导致电源受损，提高高功率电源的可靠性。

图6 AC-DC转换电路示意图Fig.6 Schematic diagram of AC-DC conversion circuit

4) 放电电阻（R6，R22～R24）：保护使用者在切断电源后不会因为设备内部电容所存储的电荷而发生触电的危险。采用多个电阻串联进行分压的方式共同分担功率损耗，避免损耗过大。

5) 整流二极管（D5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12）：实现冗余并联N+1 的功能。多个整流二极管并联分流，可降低器件损坏率，提高可靠性。

4 提高可靠性的电路设计方法

为了提高本电源模块设计的可靠性，本方案采用多种设计方法，归纳介绍如下。

4.1 开关控制电路设计

根据文中3.1.2 的描述，可通过设置和控制固态继电器开关来实现故障模式下对220 V 直流输出电压进行关断防护。本文采用光耦合器来设计开关控制电路，提供由外部信号控制固态继电器通断的功能。采用光耦合器的主要优点是输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，工作稳定，传输效率高。

4.2 电压采集电路设计

为确保电源出现故障时，运维人员能够及时收到故障告警，本设计中增加了电压采集电路[7]。

外部设备可通过采集上报的各直流电压来判断电源模块工作状态，及时发现和处理异常情况。如图7 所示。

4.3 冗余设计

在需要长时间不间断工作、高可靠运行的系统中，对电源的可靠性提出了更高的要求，尤其在轨道交通通信平台系统中冗余电源的设计起着重要的作用。

冗余电源通常情况下需要系统配备两个以上的电源，如果其中某个电源出现故障时，其余电源不受影响能够正常工作，以此保障系统设备无间断运行[8]，同时系统可不断电更换故障电源。

图7 电压采集电路示意图Fig.7 Schematic diagram of voltage acquisition circuit

目前常用的电源冗余方案包含冗余备份、容量冗余、并联N+1 备份等。其中，冗余备份也分为冗余热备及冗余冷备份两种。冗余热备份是指电源由多个同时工作的模块单元构成，系统设备运行时仅有一个模块工作，剩余模块处于空载状态。只有当该模块发生故障时，空载的模块将立即转为供电状态。热备份方案的优点是输出电压的波动不大，但缺点是无故障时主电源承担全部负载，故障率较高。而冗余冷备份是指电源由多个模块单元组成，系统设备正常工作时仅有一个模块处于供电状态，只有当该电源发生故障时，剩余预备模块才会启动并转为供电状态。冷备份方案的缺点是电源切换状态比热备份要慢，同时在电源切换的过程中会出现电源豁口，容易导致系统设备出现中断。

容量冗余是指冗余电源的负载能力需要超过系统设备的实际负载，但此冗余方案无法应付单点故障的情况。

并联N+1 备份方式是指电源由多个相同的模块单元组成，各个模块单元将通过门电路或者二极管进行并联，在系统设备工作时各个模块会同时供电，且各模块可实现负载均衡。当一个模块发生故障时，将由其他模块分摊该模块的负载能力。

为此，本次设计采用了并联后各电源共享负载的方式，减轻各电源负担；同时单个电源规格也可达到满负载要求，其他电源故障不影响整体负载供电。即融合了冗余热备和并联N+1 备份的优点。

4.4 散热设计

为减少模块间相互干扰并利于模块散热，本方案设计时应注意如下几点：1）使两路直流输出电路各模块尽可能均匀分布开，并在PCB 板允许的范围内增大模块间距。2）输入、输出电容应紧靠器件放置。3）电源模块的两路直流输出功率较高，相应能耗高且热量大，因此在能耗高的器件上放置散热片的同时，在机壳内再加入两个散热风扇，可较大地降低电源模块表面温度。

5 结论

根据通信平台的需求，设计一个高可靠性的冗余电源，同时给出电源的设计整体架构，对设计中主要电路进行分析，并重点介绍提高可靠性的几种设计思路和具体实现。所设计的电源能够对出现的过压、过载、短路等状况进行实时保护。

目前电源模块已经应用于某通信平台中，为通信平台中各板卡设备提供稳定的输出电源，并在编组站顺利完成了现场试验，工作稳定可靠。

本文提供的高可靠设计思路和方法对高可靠电源及其他高可靠电路设计均有一定的参考和指导意义。