通信电源模块交流输入高压防护

包尔恒

（广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510925）

0 引 言

单相输入通信电源模块的常见电路结构如图1所示，交流输入开关合闸、模块上电启动时，由于整流桥后滤波电解电容开机前端电压为0 V，相当于其两端短路，上电瞬间会产生很大的冲击电流（开机浪涌电流），在交流峰值时刻合闸时冲击电流达到最大值。抑制启动冲击电流最常见的办法是在电源交流输入和电解电容之间加负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）的热敏电阻，开机时NTC热敏电阻冷态呈现较大的电阻，启动冲击电流被限制，模块工作后NTC热敏电阻流通持续电流发热、阻值大大减小（损耗减小）。在小功率开关电源中，由于输入电流小，NTC热敏电阻的损耗对整体电源效率的影响可以忽略。对于大功率开关电源，目前通常采用固定阻值功率电阻+继电器，继电器常开触点并联在电阻两端，电源启动时继电器触点断开，电阻接入在交流输入和电解电容之间，限制启动冲击电流，当电容电压上升到一定值或经过一定的延时，控制继电器吸合将电阻短路[1,2]。

图1 通信电源模块电路结构

交流输入电压的异常高压通常有下述几种情况：雷电过电压、操作过电压；基站通信电源在比较恶劣的运行环境下，交流电网电压波动大或电压波形畸变；操作失误将相电压错接成线电压等。对于雷击情况，通常在机房进线处、系统柜设置防雷器及模块内部设计防雷电路，防雷电路动作将端电压限制在残压电压而保护其后电路，这种情况常见于电压高到防雷电路动作的情况，其特点是出现瞬间的高压但持续时间很短，通常不会对电解电容造成损坏[3]。当交流电压异常高压且持续时间较长，同时未达到防雷电路的动作电压，若不进行输入高压防护，则会将整流桥后功率因素校匹（Power Factor Correction，PFC）电路的输出电解电容充电到超过其额定电压而损坏（单项输入模块通常采用额定电压450 V的电解电容），这是通信电源模块失效的主要因素之一。对于这种异常高压，通常采用高压防护电路进行保护。本文对常见的开机冲击电流抑制及高压防护电路的结构原理及各自的优缺点进行分析。

1 常规软启动及过压保护方法

目前单相交流输入开关电源最为常见的软启动电路如图2所示。采用继电器和固定阻值功率电阻相结合的方式，在交流上电时，电阻R接入电流通路限制启动冲击电流，整流桥后电解电容电压逐渐升高，当电压达到辅助电源的最低工作电压时，辅助电源开始工作。经过一定的延时或检测电容电压达到一定值后，控制电路发出继电器吸合信号，继电器动作，其常开触点闭合将启动电阻短路，完成软启动。

图2 常规软启动电路

交流检测电路检测到异常高压时，封锁PFC及DC/DC变换电路的驱动脉冲，即电源关机，同时发出过压告警信号。该方案电路和控制简单，其不足在于未切断交流高压和整流桥及其后电路的电路连接，会导致整流桥后电解电容电压被充电到超过其额定电压而损坏，异常高压也有损坏功率开关的风险。在PFC或DC/DC变换开关失效导致中间环节直流母线短路时（如雷击等导致PFC开关管击穿短路或桥式DC/DC变换电路驱动受干扰引起上下管直通损坏），由于辅助电源失电，继电器触点断开，等效于将启动电阻直接接在交流输入端，导致启动电阻承受功率过大发热损坏，同时使得电阻处的印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）由于高温发生碳化现象甚至着火。

2 软启动及高压防护优化方案

2.1 方案一

针对常规软启动及过压保护方案存在的问题，文献[4]提出一种具有高压故障隔离的软启动及高压防护解决方案，如图3所示。在常规软启动电路基础上增加1个继电器Relay-B和1个正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）热敏电阻，2个继电器、启动电阻R及PTC热敏电阻之间构成图3电路连接关系，2个继电器各自独立控制。该电路在正常交流输入时的启动过程如下：模块交流上电、交流电压通过电阻R串联PTC热敏电阻为整流桥后电解电容充电，其端电压逐渐上升，当电压上升到辅助电源的工作电压时（反激变换器辅助电源从电解电容两端取电），辅助电源和控制电路开始工作。交流检测电路检测到交流输入电压正常后，控制电路发出继电器Relay-B的吸合信号，其常开触点闭合短路PTC热敏电阻，之后交流输入仅仅通过固定电阻R为电解电容充电，通过一定的延时或检测电容电压达到一定值时，继电器Relay-A的控制电路发出其吸合信号，其常开触点闭合短路电阻R，完成软启动过程。

图3 优化方案一电路结构

高压防护原理：电源模块在正常工作模式下，当检测到交流输入电压过高或者电解电容端电压过高时，控制电路进行如下操作。一是PFC及DCDC控制电路封锁其开关驱动脉冲、模块关机；二是2个继电器的控制电路发出继电器线圈断电信号，2个继电器的常开触点断开。固定电阻R和PTC同时接入，辅助电源用电使得PTC热敏电阻快速发热形成高阻，使得电解电容的充电电流小于放电电流，电解电容端电压开始下降，当其电压下降到设定的最低电压时，继电器Relay-B的控制电路控制其重新吸合而短路PTC，电解电容端电压开始回升，当上升到设定的最高电压时，继电器Relay-B再次断开，电解端电压又开始下降，如此反复，在电解电容两端形成如图4所示电压波形，整流桥前交流电压和电解电容端电压被限制，实现高压防护。电解电容端电压维持辅助电源一直工作，当电压恢复正常时，进入正常软启动模式，之后PFC及DC/DC电路工作、模块输出功率。

图4 电解电容端电压波形

当整流桥后直流电路发生短路，如PFC或DC/DC变换电路开关管失效短路造成PFC直流母线短路（等效于电解电容短路），这时模块上电，从电解电容两端取电的辅助电源无法工作，2个继电器不动作（常开触点断开），交流输入基本加在PTC热敏电阻上使其急剧发热形成高阻，相当于电路在PTC热敏电阻处断开实现故障隔离。

2.2 方案二

文献[5]提出一种能够在高压输入下脱离电网的软启动及高压防护电路，其基本结构如图5所示。高压防护电路、冲击电流限制（软启动）电路分别通过2个继电器Relay1和Relay2独立控制，交流电压正常时的启动过程为：交流电压检测电路和辅助电源1（Relay1的控制电路电源）从继电器Relay1之前电路取电，交流电压检测电路检测到输入交流电压正常时，控制Relay1吸合，交流输入通过电阻R（通常为水泥电阻）为PFC电解电容充电，从电解电容取电的辅助电源2（反激变换器）工作后，通过一定的延时（或PFC电解电容电压充电到一定值）后控制Relay2线圈得电（控制电路由辅助电源2供电），其常开触点短路启动电阻R，完成软启动过程。当电网电压异常高压时，交流电压检测电路的输出控制Relay1断开，从而使得Relay1之后电路直接脱离电网；当电网电压恢复到模块输入过压设定的正常电压范围时，重新吸合Relay1。

图5 优化方案二电路结构

除了上述Relay1和Relay2独立控制外，也可以将Relay1吸合的控制信号做一定的延时控制Relay2吸合，可同样实现软启动控制。

该电路的优点是在输入高压时可以使Relay1之后电路完全脱离电网（由继电器常开触点形成机械断点）达到较方案一更可靠的保护作用；缺点是需要在Relay1之前取电获得控制Relay1的辅助电源，也就是该电路需要2个辅助电源：Relay1控制电路电源和正常工作情况下模块的辅助电源（反激变换器），电路复杂性相对增加。

3 结 论

常规软起动及过压保护方法存在可靠性缺陷，2种优化方案分别通过在交流高压输入时采用PTC高阻隔离或直接脱离电网的方式达到高压防护的效果，优化方案提高了电源模块的整体工作可靠性。