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[电源] 通信电源的发展及应用 [复制链接]

恋々风

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发表于 2005-4-22 18:35:00 |显示全部楼层

一、通信电源的发展

近10年来通信技术发展速度越来越快，网络带宽不断加大，这对通信系统的可靠性、可用性和准确性提出了更高的要求。通信电源是通信的基础设施，稍有差错就会导致严重的后果。实践中的统计结果证实，造成数据丢失、硬件故障和停机的主要原因是电源和温度，因此，提高电源的可用性势在必行。

　　1．通信电源系统的配电方式

　　通信电源系统有三种典型的配电方式：市电（包括双路供电），这是以往最常见的一种；市电UPS，这种方式多用于一些通信量大的系统和重要的通信中心等；发电机作为市电的后备电源，这种方式多用于非常重要的场合或电力条件差的地区。目前这三种方式中以第二种配电方式最为普遍。

　　无论哪种配电方式，通信电源都是整个通信系统供电的最后一环，供电质量好坏直接影响着通信质量。通信电源由市电供电时，由于市电的电压变化范围较大，尤其是低电压时间较长时，会导致电池频繁放电，即使前面有UPS，一旦由于某种原因使供电切换到旁路时，仍然是直接由市电供电；通信电源由发电机供电时，频率和电压都不如市电稳定，也会导致电池放电，降低电池的使用寿命。

　　2．通信电源的发展

　　随着电力电子理论和技术及功率电子器件的不断发展，整流设备经历了几个发展阶段：20世纪60年代到80年代，相控整流器主要采用可控硅作为功率整流器件；从20世纪80年代初开始，英国高频开关整流器进入商用阶段，其发展异常迅速；进入20世纪90年代，以绝缘栅功率晶体管（IGBT）和功率场效应管（MOSFET）为功率变换器件的高频开关整流器，逐步取代了相控整流器。高频开关整流器的应用，是功率电子学理论和技术及功率电子器件的发展取得的重大成果，整流器的效率和功率因数提高了，体积和重量减小，能耗降低，材料消耗降低，噪声也降低了，整流器的整体质量和可靠性不断提高，加上模块化的结构设计和计算机技术的广泛应用，其智能程度提高，网络管理更加容易。近年的软开关技术使通信电源又登上了一个新的台阶，通信电源本身功耗变得更小，温度更低，体积和重量都有大幅度下降，也降低了对环境的要求。

二、高可靠性与可用性

　　可靠性是通信电源设备的首要指标，通信的不间断性首先要由通信电源予以保证。

　　1．可靠性（R）

　　可靠性反映的是设备综合技术水平，包括器件、材料、电路技术、热设计、电磁兼容（EMC）设计、制造工艺、质量控制等。我国在《通信局站电源系统总技术要求》中提出的可靠性指标是，在系统运行期间，平均无故障工作时间MTBF应不小于 5×104（h）。显然，在今天，该要求还应该进一步提高，因此引出了可用性的概念。可用性与可靠性的不同之处在于：可靠性R是指设备在规定时间内不出故障的概率，它的表达式为：

　　R=e-αt =e-t/MTBF （1）

　　式（1）中，t 是指定的工作时间（单位为小时h），在这里是5年，即：

　　t = 5×365×24=43800(h) （2）

　　α是故障率，它是平均无故障时间MTBF的倒数，MTBF取最小值时：

　　MTBF = 5×104(h) =50000 (h) （3）

　　代入式（1）后可靠性为：

　　R=e-43800/5000=e-0.876=0.416　　

　　　　　　（4）
　　以上结果表明，MTBF取规定值的最小值时，系统可靠性非常低，所以通信电源的平均无故障工作时间是衡量质量的非常重要的指标。

　　2．可用性（A）

　　可用性A是指在规定时间内，设备有效工作时间的百分比，其表达式为：

　　A=MTBF/（MTBF+MTTR）（5）

　　MTTR中是平均维修时间，如果MTTR的取值趋于0，那末A的取值趋于1，所以缩短维修时间是提高可用性的一个主要途径。

　　一般可用性也用时间表示，不同的是常常利用电源的允许故障时间t来表示，其表达是为：

　　t =指定的工作时间段×（1-A）（6）

　　比如在这个例子中设MTTR=4 (h)，由式（3）得A=0.99992，于是

　　t =5×365×24×（1-0.99992）=3.504（h）

　　即当平均维修时间MTTR为4h时，5年中机器不可用的时间为3.5h时，缩短维修时间对系统来说非常重要。

　　3．提高可用性的途径

　　（1）缩短维修时间MTTR，为了实现这个要求，厂商一般都把通信电源做成模块结构。

　　（2）采取冗余并联措施，如果单台电源的可靠性只有0.416，则2台电源冗余并联后总的可靠性就是0.659（R2＝1-(1-R)2＝1-(1-0.416)2＝0.659）。如果3台冗余并联，其可靠性就可以更高，依次类推。

　　（3）提高电源中元器件的档次。虽然采用冗余并联的办法可以提高可用性，但如果单个电源的可靠性上去了，就可减少电源的并联个数。尽管电源中元器件的寿命或可靠性是有限的，不可能做得非常高，但如果选择高档的元器件，可以大幅度地提高整体可靠性。

　　提高供电设备的可靠性和降低他们的均维修时间MTTR是提高可用性主要的手段，二者不可偏废。

三、通信电源的主要技术指标

　　一台通信电源中的元器件和设计方案的好坏，可以用如下的主要技术指标来进行衡量。

　　1．高效率、高输入功率因数

　　（1）效率

　　效率标志着电源的可靠性，设备都是在高温下更容易出故障。因为电路元器件理想指标的温度是25°C，在这个基础上每升高10°C，元器件的寿命就减半。高效率意味着本身功耗小，机内温升低，元器件服务期就可延长，这不仅节省能源，而且也会使设备的热设计变得简单，对设备的小型化十分有利。高频开关整流电源为减小设备重量和体积、提高动态品质，使工作频率变得越来越高，某些整流器开关频率达到了200kHz，开关过程功耗成为内部功耗的主要因素。近几年来软开关技术，即“零电压开关”（ZVT）和“零电流开关”（ZCT）技术得到了普遍应用，在理论上可以使开关损耗为零。目前高频开关电源的效率一般都达到90％以上，最高的达到了93％。

　　（2）输入功率因数

　　输入功率因数高，可靠性也就高。通信环境最怕干扰，这种干扰轻则使信号失真，重则使信号中断。如果对电源本身的输入整流器工作不加任何限制，电源就会产生30~50%的谐波电流干扰电网，使该电网变成干扰源，以传导和辐射的形式影响和破坏通信设备的功能。高频开关整流电源的功率因数由相移和波形失真两部分决定，高频开关整流电源在设备中普遍采用了功率因数校正电路，不仅降低了无功损耗，而且减小了干扰。目前电源的输入功率因数一般都在0.97以上，有的已达到0.99以上，可把谐波电流压低到3~5%以下，保证通信的顺利进行。

　　2．电磁兼容

　　通信电源的电磁兼容有两方面的含义，一是抵抗外来干扰的能力，这个能力越强越好；二是对外施放干扰的强度，这个强度越弱越好。因为目前的通信电源电路多是脉宽调制（PWM）工作方式，这种方式容易产生干扰，国际上对这种干扰制定了标准，例如对外辐射标准EN50081-1和抗干扰标准EN50082-1，符合了这两种标准，就可使通信环境达到比较理想的状态。

　　3．对环境的适用性

　　不同环境中，通信电源的工作条件和环境差异极大，如个别移动通信基站及偏僻地区中继站的市电交流电源，工作条件恶劣，不但电网电压变化大，电压的品质也很差，工作环境的温度低的达到-40°C，高的达到60°C以上，这就对电源设备的适用性提出了非常苛刻的要求。

　　（1）输入电压范围要宽

　　良好的适用性要求通信电源有宽范围输入电压的适应能力，即使在电网电压波动大的地区也能正常工作，这样就可减少电源输出端电池的放电次数，使电池不至于过早结束寿命。比如PC1200和MX28B系列通信电源就有着±20%以上的输入电压适应能力，甚至TWF0500系列可将输入电压适应能力扩展到88~264VAC，这就为恶劣环境下通信系统的供电条件提供了可靠的基础。

　　（2）运行温度和湿度范围要宽

　　在现代化机房等条件优越的环境中，温度和湿度都被严格控制在规定范围内，但通信电源的工作环境多数情况还是不理想。为了保证正常工作，就必须要求电源有耐高温和高相对湿度的能力，工作温度达到-40°C～+70°C、相对湿度可在85%以上的电源系统可适应多种环境的工作。

　　（3）绝缘强度和安全标准

　　绝缘强度的指标很重要，一般要通过几个高压测试指标，比如输入端到地加1.5kVAC、输出端到地加500VAC和输入输出端加3kVAC等测试电压，又例如加电一分钟，漏电流小于规定值（电流小于10mA等），通过测试的产品就可以比较放心地使用。

　　为了机器和人身的安全，国际上各国都制定了相应的电源安全标准，如美国的UL、加拿大的CSA、德国的TüV及欧洲的CE等，在没有国标的情况下，也应该有相应的行业标准。如果电源没有符合这些标准的标志或说明，在使用中就令人担忧了。

　　4．功率密度

　　提高电源设备的容量与体积之比（即功率密度），是通信电源发展的普遍趋势。开关工作频率的提高、效率的提高、半导体器件和电路的集成化及磁性元件与电路的集成化，都将使电源设备的重量和体积进一步减小，即功率密度越来越大。目前，一个风冷式的48V 50A的高频开关整流器，其功率密度可高达475mW/cm3，重量只有5kg。

　　通信电源结构和电路设计使模块智能化，也是今后高频开关电源发展的方向。

　　5．其它要求

　　为了便于使用和维护，要求电源具有过流、过压、短路保护功能，热插拔功能，指示和告警功能，温度控制和补偿功能等等。当前的电源发展应是朝着高频化、小型化、智能化和绿色化的方向。

四、通信电源的选择

　　在通信事业蓬勃发展的今天，通信电源制造业竞争加剧，除了一些骨干企业外，还有一些中小型制造厂的产品也融入市场。竞争的焦点仍然是价格，往往有的人把价格低和性价比混为一谈，其背后不可避免地存在一个质量问题，在选择通信电源时应注意以下几个方面。

　　1．质量与服务

　　一般说，正规厂家大都经过了ISO9000的认证，产品开发和生产都建立了严格的质量控制流程，产品质量有保证，产品的延续性也较长，今后维修备件的供应有保障。但正规厂家的服务也是参差不齐的，某些厂家服务态度尽管非常好，但由于产品的质量欠佳，故障接连不断，这也是用户所不希翼的。因此，质量与服务二者必须具备。

　　2．产品的综合指标要好

　　使产品的一两项指标好是不难做到的，若各项指标都好，离不开优秀的电路设计思想和元器件的质量保证，也离不开良好工艺和流程控制。综合指标对保证通信电路的正常工作有着重要意义。

　　3．产品价格

　　关于电源的价格，一直是人们感到很敏感的话题。在“性价比”的概念上，切忌认为价格低就是“性价比”好。质量过硬的产品为了保证良好的综合指标，选择优质的元器件以及采用精良的工艺，其生产成本必然不会低于低档产品，性能和价格的综合因素才是评判产品的正确定位，用户采用电源设备的目的是为通信设备和网络提供动力和保障，尤其在重要环节和信息中心，电源故障会造成不可弥补的损失和不良的影响，建议采购电源产品时一定要全面考虑，谨慎选择。

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