陳偉麟

（江蘇省廣播電視總臺(tái)，江蘇 南京 210009）

0 引 言

供電保障是廣播電視安全播出保障的基礎(chǔ)。供電保障包括外電供電、不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）供電和設(shè)備供電三個(gè)層級(jí)。外電供電一般通過(guò)雙路不同路由的外電，甚至三路或者專線來(lái)提高保障水平[1]。UPS不間斷電源主要提供外電中斷時(shí)設(shè)備供電的不間斷[2]，供電時(shí)間由UPS電池容量和供電負(fù)荷決定，一般不少于半小時(shí)。而設(shè)備供電一般指設(shè)備內(nèi)部或外部的電源模塊。對(duì)于單電源模塊設(shè)備，如果外電中斷或者電源模塊自身故障，設(shè)備無(wú)法連續(xù)工作；如果是雙電源模塊設(shè)備，可切換至另一路繼續(xù)供電。

目前，常用的交換機(jī)、光收發(fā)設(shè)備、微波設(shè)備等設(shè)備一般采用直流電源供電。對(duì)于直流設(shè)備，若要使用外電或UPS輸出的電源，需要對(duì)交流電進(jìn)行整流。整流的方式一般采用直流電源柜或外置開(kāi)關(guān)電源模塊。直流電源柜成本高、占用空間較大，如果只為少量設(shè)備配置，性價(jià)比比較低，因此較多采用外置的開(kāi)關(guān)電源模塊[3]。對(duì)于保障等級(jí)要求較高的傳輸設(shè)備，外置的開(kāi)關(guān)電源模塊不僅不方便維護(hù)，其本身作為單節(jié)點(diǎn)設(shè)備，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙電源倒換、負(fù)載均衡等保護(hù)[4]功能。

為降低單電源直流供電設(shè)備的供電風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)采用雙電源、獨(dú)立整流器、負(fù)載均衡輸出等技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了小型化的直流單電源設(shè)備的雙電源熱備份供電設(shè)備，以提高直流電源設(shè)備的供電可靠性。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)以上對(duì)各種設(shè)備不同供電方式的表述，本文針對(duì)雙電源熱備份供電設(shè)備的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

（1）雙外電輸入、負(fù)載均衡輸出?？赏瑫r(shí)接入兩路不同外電，雙路外電同時(shí)為設(shè)備供電，避免單路長(zhǎng)期承擔(dān)全部負(fù)載造成的老化，降低單路故障的可能，減少對(duì)設(shè)備的影響。

（2）獨(dú)立整流、并聯(lián)備份。外電通過(guò)不同的獨(dú)立整流器，兩套整流電路并聯(lián)使用，徹底消除電路單一節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整流電路熱備份。

（3）故障自動(dòng)切換。一路外電故障或整流器故障時(shí)，負(fù)載自動(dòng)全部倒換至另一路供電，不影響設(shè)備功能。

（4）供電狀態(tài)顯示。直觀顯示正在使用哪路外電。

（5）小型化。設(shè)備體積1 RU，支持機(jī)架安裝。

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)備具有通信接口，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，本文方案采用雙輸入、雙整流及二極管倒換等關(guān)鍵技術(shù)，供電流程如圖1所示，主要分為輸入部分、電源部分以及并聯(lián)部分。

輸入部分，雙路220 V交流輸入，根據(jù)臺(tái)站供配電配置情況，選擇兩路不同回路的外電接入。電源部分，兩套獨(dú)立的整流電路，互為備份，輸出指標(biāo)優(yōu)良的48 V直流電源。并聯(lián)部分，利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，?shí)現(xiàn)電路并聯(lián)。

經(jīng)過(guò)倒換的可靠直流電源，通過(guò)合路、分配成需要的路數(shù)，最終為直流設(shè)備供電。

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 整體電路設(shè)計(jì)

本設(shè)備設(shè)計(jì)在一個(gè)1 U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中，實(shí)現(xiàn)直流電源雙輸入雙整流的熱備份功能，具體電路如圖2所示。

圖2 直流電源設(shè)備電路圖

輸入端為交流220 V外電1#和2#，分別送入獨(dú)立整流電源，變?yōu)?#和2#直流，通過(guò)二極管的通斷功能，實(shí)現(xiàn)整流電源的熱備份、負(fù)載均衡和自動(dòng)倒換輸出，達(dá)到直流不間斷供電的目標(biāo)。在整流輸出和倒換后對(duì)電路電流、電壓狀態(tài)進(jìn)行采集，并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過(guò)IP方式、網(wǎng)線接口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

3.2 整流器電路

電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，提供電子設(shè)備中各部件運(yùn)行所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響計(jì)算機(jī)的工作性能和使用壽命。電源主要有線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩種設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)式直流電源和線性電源的根本區(qū)別在于，它的變壓器不工作在工頻，而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是效率高（可以達(dá)到80%～95%）、穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是相較于線性電源紋波較大（一般不大于輸出電壓的1%），但在輸出端并接穩(wěn)壓二極管可以改善[5]。線性電源的工作方式，使它從高壓變低壓時(shí)必須有降壓裝置，再經(jīng)過(guò)整流輸出直流電壓。這樣一來(lái)，它的體積就很大，效率低，發(fā)熱量也大。考慮到設(shè)備體積限制和轉(zhuǎn)換效率，本文選擇開(kāi)關(guān)電源作為220 V交流到48 V直流的整流裝置。

本設(shè)計(jì)中，單個(gè)整流器的電路由主電路、控制電路、檢測(cè)電路及輔助電源四部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 整流電路框圖

主電路包括沖擊電流限幅、輸入濾波器、整流與濾波、逆變以及輸出整流與濾波等部分。沖擊電流限幅是限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流，輸入濾波器的作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波，阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)；整流與濾波部分將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，逆變部分是將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是整流電源的核心部分；輸出整流與濾波主要是根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

控制電路一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使得輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

檢測(cè)電路提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中的各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。輔助電源實(shí)現(xiàn)電源的軟件啟動(dòng)，為保護(hù)電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。

3.3 二極管電路

由于系統(tǒng)中存在雙電源，在實(shí)際情況下，并聯(lián)的雙電源的電壓不可能完全一致，必然存在電壓差，因此可能造成其中一個(gè)直流電源向另一個(gè)電源充電[6]。原理如圖4所示。當(dāng)DC 1的正極電壓高于DC 2正極電壓時(shí)，電流會(huì)按照?qǐng)D中箭頭方向移動(dòng)，此部分電路產(chǎn)生較大電流，造成電路和DC 2短路。

圖4 雙電源電路反向充電

為避免上述情況發(fā)生，本文在電路中增加二極管，依靠二極管的單向?qū)ㄌ匦?，使得無(wú)論哪一個(gè)電源電壓較高，電流都只會(huì)按照一個(gè)方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了雙路電源同時(shí)供電。甚至在一個(gè)電源電壓趨近于0時(shí)，另一個(gè)電源仍能為負(fù)載提供正常的電壓，這就等同于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)倒換。

圖5 二極管實(shí)現(xiàn)單向?qū)?/p>

為使該設(shè)備實(shí)現(xiàn)最佳的電路性能，本文選用了肖特基二極管。此二極管的特性是正向壓降低，正常工作電流下僅有不到0.6 V，從而將電路的功耗損失和二極管的器件發(fā)熱量控制在合理范圍內(nèi)。

3.4 機(jī)箱設(shè)計(jì)

機(jī)箱設(shè)計(jì)為1 U高度，同時(shí)兼顧高集成度和高性能。前后面板如圖6、圖7所示。

圖6 設(shè)備前面板圖

圖7 設(shè)備后面板圖

為滿足整流電源模塊的散熱需求，機(jī)箱上蓋板根據(jù)模塊風(fēng)扇位置開(kāi)孔，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱上進(jìn)風(fēng)、側(cè)出風(fēng)的散熱風(fēng)道。

直流電源接口選用NEUTRIK帶鎖航空電源插頭和插座，實(shí)現(xiàn)電源線的快速拔插和可靠連接，可防止因電源線拉扯而造成電路中斷；通過(guò)RJ-45網(wǎng)線接口、IP輸出的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2路電源及輸出電流、輸出電壓的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 設(shè)備測(cè)試

該設(shè)備完成設(shè)計(jì)并生產(chǎn)組裝后，進(jìn)行了充分的性能與功能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及使用需求，較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

性能方面，輸出電壓精度在48 V±1%，輸出最大波紋與噪聲＜200 mV（峰-峰值），啟動(dòng)時(shí)間＜16 ms。使用大功率可調(diào)電阻器作為負(fù)載，阻值設(shè)為7.2 Ω（負(fù)載為48×48÷7.2=320 W）測(cè)試單電源，持續(xù)工作30 min無(wú)異常；阻值設(shè)為3.6 Ω（負(fù)載為48×48÷3.6=640 W）測(cè)試雙電源，持續(xù)工作30 min無(wú)異常。滿負(fù)載穩(wěn)定工作30 min后，風(fēng)扇工作正常，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量，機(jī)箱散熱口出風(fēng)溫度＜70 ℃。

功能方面，前面板指示燈可根據(jù)整流模塊輸出狀態(tài)正常顯示。雙電源輸入時(shí)，中斷一路輸入，輸出正常且無(wú)閃斷，切換功能正常。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的設(shè)備在一臺(tái)1 U機(jī)架式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)將220 V交流轉(zhuǎn)-48 V直流、負(fù)載均衡、雙路電源自動(dòng)切換功能，為直流電源設(shè)備提供高可靠、易維護(hù)、高集成的供電保障。設(shè)備成本低，體積小，穩(wěn)定性高，并且充分考慮到廣電設(shè)備維護(hù)運(yùn)行規(guī)范和慣例，適合在規(guī)模不大的廣電直流電源設(shè)備如微波傳輸系統(tǒng)設(shè)備上應(yīng)用。該設(shè)備現(xiàn)已推廣至部分省級(jí)發(fā)射臺(tái)使用，反映良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。