通信平台中的高可靠电源模块设计研究

刘学钢

（西安麦格米特电气有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

在工业化发展期间，大功率设备应用广泛，对电源模块的可靠性提出了更高要求。尤其对于通信平台而言，为满足通信需求，通信平台对电源模块的依赖程度较高，在长期发展中，电源模块已成为通信平台正常运行的核心装置。为满足各行各业对电源模块的要求，高性能和高频化已成为电源模块主要设计目标，在本次研究中将结合某通信平台对冗余电源模块的高可靠要求展开设计分析。

1 电源模块分类

电源模块随着电子行业的发展，其种类逐渐丰富，用以满足不同应用场景。在电源模块应用时，需结合自身需求选择适宜类型。以电源模块输入输出类型为指标，可分为直流输入DC-DC电源模块、交流输入AC-DC电源模块以及DC-AC逆变电源。以电源模块输出功率为依据，DC-DC电源模块可分为微、小、中、大功率，功率范围分别为0.1～3 W、1～30 W、50～200 W、＞200 W，而AC-DC电源模块可进一步划分为小、中、大功率，功率范围分别为3～36 W、50～3 200 W、＞200 W。以输入电压范围为依据进行划分，DC-DC电源模块可细分为宽范围电压输入、稳定电压输入以及超宽电压输入，而AC-DC电源模块可分为三相四线制输入（380 V交流）、其他交流电压输入以及常规输入（85～265 V交流）。以输出精度为划分依据，可将DC-DC电源模块划分为可调输出、稳压输出以及非稳压输出，而AC-DC电源模块仅可分为可调输出和稳压输出两种。此外，将应用场合作为划分依据，可分为通信电源、电力电源、民用电源、军用电源、医疗电源、航天电源以及工业电源等[1]。电源模块具有体积小、易更换以及性能优异等特点，部分类型电源模块可实现冗余供电，其种类虽多，但多为开关电源设计，并满足不同场景下的电源模块需求。

2 通信平台电源模块设计实例分析

所选用设计实例为轨道交通通信平台，其对电源模块设计提出了更高的可靠性要求，且需电源模块具有冗余电源设计，具有两种直流电压。为满足该通信平台要求，以下展开针对性电源模块设计[2]。

2.1 明确整体框架

图1为本次电源模块设计框架，为满足该通信平台要求，采用220 V和48 V两种直流电压，同时该通信平台对输出功率具有较高标准。在本次设计中，直流220 V和直流48 V对应输出功率需不低于2 000 W和600 W，为高功率设计。在整体设计中，从直流220 V和直流48 V两个角度进行设计，其中直流220 V电路包括整流电路、开关控制电路、滤波电路以及开关等，而直流48 V电路需考虑转换电路、滤波电路以及输入保护等，两种输出电路需实现负载共享。为实现电源模块高可靠目标，需额外注意各类电路的控制工作，并结合其对冗余电源模块的要求科学设计冗余电路[3]。

图1 电源模块设计框架

2.2 主电路设计

2.2.1 直流220 V主电路设计

在直流220 V主电路设计中，为保障电源模块整体功能，需尽可能降低电路噪声及纹波，将滤波电路加入到电路输入端。采用LC-π型滤波电路，该滤波电路虽具有冲击电流大的缺点，但可靠性优点较为突出，因此在本次高可靠电源模块设计中选用该型号的滤波电路最为适宜。过载、过压以及短路问题为常见电源模块的故障形式，极大影响了电源模块的稳定性和可靠性。为杜绝以上故障问题，在本次直流220 V主电路中采用固态继电器，用以控制交流220 V输入端，此外电路外部具有控制板卡，可识别过载、过压以及短路问题，并向电源模块传递开关控制信号，此时固态继电器开关将断开，关闭输出，确保电路效果。固态继电器具有高可靠、抗干扰、触点反应快以及寿命长的优点，还具有较强的防腐蚀、防爆及耐冲击能力。运用微小信号驱动电流负载，在该通信平台电源模块设计背景下，运用固态继电器可满足设计要求，最大程度保障电源模块可靠性。桥式、全波以及半波为当前最常用的整流电路形式，在本次电源模块设计中选用桥式整流电路（具体如图2所示），此外该通信平台电源模块为高功率设计，电源功率要求较高，因此采用高功率桥式整流器，正向电压和反向峰值电压分别为1.1 V、1 kV，正向电流和最大浪涌电流分别为15 A、300 A，以此满足电源模块对输出能力的要求，提高电源模块设计效果[4]。

图2 电源模块中的桥式整流电路

2.2.2 直流48 V主电路设计

直流48 V主电路设计需考虑滤波电路及输入保护。产生过载、过压以及短路问题时，电路内将因电流过大而导致保险丝温度过高，并进入高阻态状态，此时电路电流将关断。为提升电路整体性能，可采用PTC自恢复保险丝。当过载、过压以及短路问题排除后，保险丝可自主恢复至常规状态，使电源模块电路及时运转，提升电源模块可靠性。直流48 V主电路中的滤波电路与上述直流220 V主电路类似，采用LC-π型滤波电路，最大程度确保电源模块可靠性。保障电源模块整体性能，需通过转换电路将交流220 V转变为直流48 V，满足电源模块设计要求。此外，在本次设计中，AC-DC电源模块功率为700 W，宽输入范围为交流85～264 V，高功率因数及高效率参数分别为99%、98%，功能全面，可实现输出过压保护、欠压封锁保护以及过流保护，以此提升电路稳定性。同时本次电源转换模块选用COSEL公司产品，具有去耦电容、输入输出滤波电容、限流电阻、放电电阻以及整流二极管等元件。其中，去耦电容主要为抵御电磁辐射高频干扰；输入输出滤波电容可进行滤波，保障电路稳定；限流电阻具有热熔断功能及限流功能，可良好控制机温度，避免因高温问题损坏电源，确保电源可靠性；电源模块内部存有电荷，使用者易受到触电威胁，而放电电阻可避免电荷对使用者造成损伤，提升电源模块安全性；放电电阻串联设置进行分压，以此避免放电电阻造成功率损耗；整流二极管为并联分流设置，主要作为保护元件，降低损坏率，并实现冗余并联N+1功能，全方位保障线路稳定[5]。通过合理的电子元件选用确保电源模块可靠性。

3 提升通信平台电源模块可靠性的设计方法

为进一步提升电源模块可靠性，以下从开关控制电路、电压采集电路、冗余电源设计以及模块散热设计4个方面展开介绍，以总体设计框架为依据，从不同角度确保设计可靠性。

3.1 开关控制电路

从上述设计分析中可知，在本次电源模块设计中，通过固态继电器关断故障时的220 V直流电压起到防护效果。为保障固态继电器功能完整，当故障发生时保护电路，本次设计中运用光耦合器，用以控制固态继电器状态，将外部信号传递至固态继电器，构建开关控制电路。选用光耦合器的原因主要在于其抗干扰效果优异、传输效率高，且可在输出端和输入端间构建电气隔离，极大保障电源模块稳定性，促进高可靠电源模块设计目标的实现[6]。

3.2 电压采集电路

过载、过压以及短路等问题故障可极大影响电源模块稳定性，故障发生时需第一时间处理。为确保电源模块运维人员可及时发现故障问题，在本次电源模块设计中增设电压采集电路，并连接外部设备，可提供直流电压。了解电源模块实时状态，便于运维人员第一时间处理解决故障问题，提升电源模块可靠性[7]。

3.3 冗余电源设计

通信平台长时间工作运行对电源模块的稳定性和可靠性提出了高标准，为满足通信平台对冗余电源的要求，本次将针对该通信平台进行专项设计，确保电源模块稳定性。在当前冗余电源模块设计中，通常配备两个及其以上电源，若某电源在运行期间发生故障问题，则不会干扰其他电源，以此维持通信平台正常工作，实现无间断运行。此外，故障电源可在不影响整个通信平台系统基础上进行更换[8]。容量冗余、冗余备份（冗余冷备份、冗余热备份）以及并联N+1备份为常用电源冗余方式。其中，冗余冷备份主要指通信平台在工作期间仅有单一模块进行供电，其余预备模块仅可在出现故障问题时启动，并进入供电状态。该方式最显著的缺陷在于电源切换较慢，且在切换期间易出现电源豁口，即设备中断运行。冗余热备份指仅单一模块进行工作，其余模块为空载状态，若此时产生故障问题，则空载模块立即调整为供电状态。在此过程中，主电源负载较大，易引发故障问题，但具有电压稳定的优势[9]。容量冗余指冗余电源模块负载承担能力需大于实际负载，若采用容量冗余方式设计电源模块，则无法解决单点故障问题，与高可靠性目标相悖，应用效果不佳。并联N+1备份是通过二极管或门电路进行模块单元并联，通信平台运行期间将由各模块共同供电。在此状态下，各电源模块负载均衡，若某一电源模块出现故障问题，则由其余电源模块分摊故障模块的负载，有助于提升电源模块稳定性。经上述分析，为满足高可靠性设计要求，本次选用并联共享负载的形式用以缓解电源负载，此时需确保单个电源模块规格符合满负载标准，若发生故障则不会干扰整体供电效果，兼顾并联N+1备份及冗余热备份两种形式优点。

3.4 模块散热设计

模块散热设计不仅可便于电源模块散热，更可降低模块间的干扰效果。为确保电源模块整体稳定性，设计期间需最大程度保障两路直流电路各模块均匀分布。在PCB板标准范围内增加间距间隔，电容需与元件紧靠设置，除此之外，由于本次所设计的电源模块功率较高，其产生的热量较大且能耗较高，为满足电源模块散热标准，需在高能耗元件外设置散热片，并于电源模块机壳内部设置两个散热风扇，最大限度控制电源模块温度，使电源模块维持在高可靠性运行状态下[10]。

4 结 论

电源模块按不同分类方式分为多种形式，设计通信平台中的电源模块时应结合实际需求进行选择与设计。本次所选用的案例通信平台中，对可靠性较高的冗余电源模块具有高标准，设计前依据其实际需求完成整体框架设计，并详细介绍了设计思路，对电源模块常见过载、过压以及短路等问题进行保护，完成设计后进行现场试验，效果稳定，设计较为成功。