通信电源瞬间短路的解决方案

蒋 玮

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

随着我国通信行业的飞速发展，通信系统的稳定可靠运行对国民经济和国防安全有着越来越大的影响。作为通信系统心脏的通信电源系统对于通信系统的可靠运行起到了决定性作用。电信运营商为了保证通信系统在电源故障情况下也能稳定运行，会为通信电源配上大容量的蓄电池。但是蓄电池只能解决市电和整流系统故障导致无直流输出的问题，而无法解决电源系统输出的稳定短路或者暂时短路[1-3]。

1 问题背景

通信设备基本会工作在一定的电压范围内，一般为-40～-58 V，过高或过低的电压都会严重影响通信的正常工作。当直流电压不在这个范围时，通信设备就会自动关机，直流输出端或者设备端短路都会使直流母线电压大幅降低[4,5]。即使是设备端的一个设备出现瞬时短路，都会导致母线电压降低，从而影响该直流母线上其他供电设备的运行[6]。

蓄电池无法解决直流输出侧的短路故障，相反在短路时蓄电池会释放出大量能量，使电缆发热燃烧造成重大的通信事故。对于直流侧的永久短路目前没有什么好的措施，只能通过熔断保护器件尽量减少短路造成的损失。根据英国国际铜业协会的统计，在发生的短路故障中，70%都是瞬时短路。因此，如果有方法可以解决瞬时短路故障，那么对于通信系统的可靠运行非常有益[7]。

2 解决方案

2.1 高阻方案

2.1.1 高阻供电原理

传统通信电源供电系统的等效电路如图1所示。

图1 直流系统的等效电路框图

从图1可以计算在传统的通信电源供电方式下，直流设备端短路对直流母线电压的影响。蓄电池电压Ub=54 V，取蓄电池组综合内阻Ri=4 mΩ，直流负载电缆电阻Rl=2 mΩ，那么负载短路电流Ishort和短路时的直流母线电压Ud分别为：

从上面的计算可以看到，直流设备端短路短路时，传统的通信电源供电系统直流母线电压下降了2/3，显然不能满足通信设备的供电要求。一个设备瞬时的短路故障都会导致整个通信系统的瘫痪。

经过以上分析可以知道直流设备端短路引起直流母线电压下降的主要原因是直流负载电缆的内阻太小。如果可以增大直流电缆的电阻，这个问题就可以解决。还是以上面的例子，直流负载电缆电阻改为Rl=45 mW，那么负载短路电流Ishort和短路时的直流母线电压Ud分别为：

直流母线电压仅下降了4 V左右，能够满足通信设备的供电要求。可以通过加长电缆和减小电缆截面积等措施来增大电缆的电阻。

2.1.2 测试结果

测试结果表明，直流设备端短路时电压降为49 V左右，与上面的计算结果吻合得很好，说明高阻供电原理是可行的。

2.1.3 存在问题

根据工信部《通信用高频开关组合电源》第4条要求，电源产品工作温度的范围为-5～40 ℃。在高温工作的情况下，高阻片的阻值随温度变化较大，在100 ℃时，电阻值会相差8～9 mW左右。在系统满载时，高阻片发热严重超过了《通信用配电设备》中的要求。《通信用配电设备》中要求电阻发热器件的温升不超过135 ℃，但实际测试在30 A下，温升达到198 ℃。

2.1.4 解决措施

最初设计时用青铜为材料做的高阻片，青铜虽有很好的电阻率，但是电阻温度系数较大，且电阻值随温度变化较大。电阻值随温度变化的计算公式为：

式中，α为电阻温度系数。

Mn的电阻温度特性非常好，几乎不随温度变化。最终将高阻片改用Cr20 Mn80的铜合金材料，加入Cr元素的原因是它的电阻系数相对较大，可以减少高阻片的体积。整改后，实际测量高阻片的电阻几乎不随温度变化。

高阻片是个发热器件，其散热靠的是空气自然冷，散热条件不好导致高阻片温升偏高。其在空气中的散热主要通过传导、对流以及辐射3种方式进行。

传导的计算公式为：

式中，Φ1为热流量，λ为导热系数，A为导热截面积，δ为导热壁厚。

对流的计算公式为：

式中，φ为热流密度，A为换热面积，c为换热系数。

辐射的计算公式为：

式中，ε为物体的黑度，σ0为斯蒂芬-玻尔兹曼函数，A为辐射表面积，T为热力学温度。

由热平衡方程：

虽然不能定量分析，但是可以定性分析解决措施。从以上公式中可以看出3种散热方式都与散热面积有关系，增大高阻片的表面积是可行的。原来的高阻片的形状为C形，更改为W形后可以增加表面积30%。另外辐射散热跟物体黑度ε有关系，而物体黑度ε的同物体的表面粗糙程度和颜色均有关系。将高阻片不做表面抛光，只进行喷黑器处理后，高阻片的黑度由0.037增加到0.78。

经过以上优化高阻片在进行温升测试，环境温度为40 ℃，实际测量的结果如表1所示，满足要求。

表1 优化后实际高阻片的温升值

2.2 电容蓄能方案

2.2.1 电容蓄能方案原理

电容蓄能方案原理如图2所示。

图2 电容蓄能方案原理图

电容板上有许多大容量的电解电容器，这些电解电容通过电容板并联在直流母线上。直流系统正常运行时，直流母线给电容板充电，直流输出瞬间短路时（不管母线侧还是设备侧），电解电容储存的能量释放维持母线电压。

电容方式方案简单，成本低，只需要一块PCB即可，不需要高阻供电方式那样有一个高阻供电柜。直流输出瞬间短路时，不管母线侧还是设备侧，电容都可以释放能量维持直流母线电压短时不下降。综上所述电容放电方式可以有效解决高阻供电方式的缺点[8-10]。

2.2.2 存在问题

在实际测试中发现电容放电方式存在一个问题。当电源系统开机或者交流停电整流器重新工作时，冲击电流很大，常常导致整流器直流输出过压，整流器保护关机。经过实际测试，带负载合闸时瞬时直流母线电压升高4.0 V，示波器显示为58.4 V。整流器的直流输出过压保护点为58 V，如果直流电压超过58 V时整流器就会硬关机。这个时候只有重新开机才能恢复整流器输出，容易造成整流器的误启动。

2.2.3 解决措施

为了维持直流输出短路时的母线电压，在电容板上放置了6个大容量的电解电容，总计60 000 μF。这些电容并联在母线上，当整流器开机时，由于整流器的输出阻抗比较小，电容的瞬间充电电流过大，类似于短路的效果，造成整流器过压保护。为了限制整流器开机时瞬时充电电流过大，在电容板上增加了电容充电电路，限制电容充电电流的大小，使电容慢充电。优化后的电路如图3所示。

图3 带充电电路的电路图

电容充电回路上的限流电阻为10 Ω，最大的充电电流为5.4 A，电容的充电时间为0.6 s。同时在充电回路中增加一个控制MOS管，当直流母排不工作时MOS管断开电容充电回路，减少事故隐患。

3 总 结

电容放电方式相对高阻供电方式拥有许多优点，但也存在相应问题。在大容量的电源系统中，为了维持母线电压就必须释放大量的能量，但电容贮存的能量毕竟有限，所以放完电就必须重新充电，但随着负载电流增大，电容的稳压效果也越差。而且电解电容本身就是一个失效率较高的器件。从可靠性来说，高阻供电方式比电容放电方式高，所以在目前的客户运行环境下，这两种防瞬间短路方式相互补充。在小容量的电源系统中一般建议客户使用电容放电方式，而在中大容量的电源系统中就会推荐高阻供电方式。