通信电源系统原理

guanghu89

作为通信系统的“心脏”，通信电源在通信局（站）中具有无可比拟的重要地位。它包含的内容非常广泛，不仅包含48V直流组合通信电源系统，而且还包括DC/DC二次模块电源，UPS不间断电源和通信用蓄电池等。通信电源的核心基本一致，都是以功率电子为基础，通过稳定的控制环设计，再加上必要的外部监控，最终实现能量的转换和过程的监控。通信设备需要电源设备提供直流供电。电源的安全、可靠是保证通信系统正常运行的重要条件。

1.1  通信设备对电源系统的基本要求1.1.1  通信设备对电源的一般要求1. 可靠性高：

一般的通信设备发生故障影响面较小，是局部性的。如果电源系统发生直流供电中断故障，则影响几乎是灾难性的，往往会造成整个电信局、通信枢纽的全部通信中断。对于数字通信设备，电源电压即使有瞬间的中断也不允许。因为在数字程控交换局中，信息存在存储单元中，虽然重要的存储单元都是双重设置的，若电源中断，两套并行工作的存储器同时丢失信息，则信息需从磁带、软盘等重新输入程序App，通信将长时间中断。因此，通信电源系统要在各个环节多重备份，保证供电可靠。这就包括“多路、多种、多套”的备用电源。在暂还没有条件达到“三多”配置的地方，至少应有后备电池。

2. 稳定性高：

各种通信设备都有要求电源电压稳定，不允许超过容许的变化范围，尤其是计算机控制的通信设备，数字电路工作速度高，频带宽，对电压波动、杂音电压、瞬变电压等非常敏感。所以，供电系统必须有很高的稳定性。

3. 效率高：

能源是宝贵的，电信设备在耗费巨资完成设备投资后，日常的费用支出中，电费是一笔比重很大的开支。尤其随着通信容量的增大，一个母局的各种设备用上百、上千安培直流的用电量已是司空见惯，这时效率问题就特别突出。这就要求电源设备（主要指整流电源）应有较高转换效率，即要求电源设备的自耗要小。

1.1.2  现代通信对电源系统的新要求1. 低压、大电流，多组供电电压需求

低压、大电流，多组供电电压需求，功率密度大幅度提升，供电方案和电源应用方案设计呈现出的多样性。

2. 模块化： 自由组合扩容互为备用

提高安全系数，模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的应力（表现为过电压、过电流毛刺）。为了提高系统的可靠性，而把相关的部分做成模块。把开关器件的驱动、保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM ），这既缩小了整机的体积，又方便了整机设计和制造。

多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，便极大地提高了系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供了充分的时间。

现代电信要求高频开关电源采用分立式的模块结构，以便于不断扩容、分段投资，并降低备份成本。不能象习惯上采用的1+1的全备用（备份了100％的负载电流），而是要根据容量选择模块数N，配置N+1个模块（即只备份了1/N的负载电流）即可。

3. 能实现集中监控：

现代电信运维体制要求动力机房的维护工作通过远程监测与控制来完成。这就要求电源自身具有监控功能，并配有标准接通讯接口，以便与后台计算机或与远程维护中心通过传输网络进行通信，交换数据，实现集中监控。从而提高维护的及时性，减小维护工作量和人力投入，提高维护工作的效率。

4. 自动化、智能化：

要求电源能进行电池自动管理，故障自诊断，故障自动报警等，自备发电机应能自动开启和自动关闭。

5. 小型化：

现在各种通信设备的日益集成化、小型化，这就要求电源设备也相应的小型化，作为后备电源的蓄电池也应向免维护、全密封、小型化方面发展，以便将电源、蓄电池随小型通信设备布置在同一个机房，而不需要专门的电池室。

6. 新的供电方式：

相应于电源小型化，供电方式应尽可能实行各机房分散供电，设备特别集中时才采用电力室集中供电，大型的高层通信大楼可采用分层供电（即分层集中供电）。

集中供电和分散供电各有优点，因条件不同斟酌选用。

图1-1是传统电力室配置示意图：

                                                                                                                                                               图1-1 集中供电系统

对于集中供电，电力室的配置包括交流配电设备、整流器、直流配电设备、蓄电池。各机房从电力室直接获得直流电压和其它设备、仪表所使用的交流电压。这种配置有它的优点，例如集中电源于一室，便于专人管理。蓄电池不会污染机房等。但它有一个致命的缺点，即浪费电能，传输损耗大，线缆投资大。因为直流配电后的大容量直流电流由电力室传输到各机房，传输线的微小电阻也会造成很大的压降和功率损耗。

对于分散供电，电力室成为单纯交流配电的部分，而将整流器、直流配电和蓄电池组分散装于各机房内。这样，将整流器、直流配电、电池化整为零，使它们能够小型化，相对的小容量。但这里有个先决条件，蓄电池必须是全密封型的，以免腐蚀性物质的挥发而污染环境、损坏设备（现行的全密封型的电池已经能达到要求了）。

分散供电最大的优点是节能。因为从配电电力室到机房的传输线上，原先传输的直流大电流，现在变为传输380V的交流。计算表明，在传输相同功率的情况下，380V交流电流要比48V的直流电流小得多，在传输线上的压降造成的功率损耗只有集中供电的1/49~1/64。

1.2  通信电源系统的构成

通信电源系统一般由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成，如图1-2所示：

                                                                                                                                                      图1-2 通信动力系统的构成

1.2.1  交流供电系统1. 系统组成

通信电源的交流供电系统由高压配电所、降压变压器、油机发电机、UPS和低压配电屏组成。交流供电系统可以有三种交流电源：变电站供给的市电、油机发电机供给的自备交流电、UPS供给的后备交流电。

2. 油机发电机：

为防止停电时间较长导致电池过放电，电信局一般都配有油机发电机组。当市电中断时，通信设备可由油机发电机组供电。油机分普通油机和自动启动油机。当市电中断时，自动启动油机能自动启动，开始发电。由于市电比油机发电机供电更经济和可靠，所以，在有市电的条件下，通信设备一般都应由市电供电。

3. UPS：

为了确保通信电源不中断、无瞬变，可采用静止型交流不停电电源系统，也称UPS。UPS一般都由蓄电池、整流器、逆变器和静态开关等部分组成。市电正常时，市电和逆变器并联给通信设备提供交流电源，而逆变器是由市电经整流后给它供电。同时，整流器也给蓄电池充电，蓄电池处于并联浮充状态。当市电中断时，蓄电池通过逆变器给通信设备提供交流电源。逆变器和市电的转换由交流静态开关完成。

4. 交流配电屏：

输入市电，为各路交流负载分配电能。当市电中断或交流电压异常时（过压、欠压和缺相等），低压配电屏能自动发出相应的告警信号。

5. 连接方式——交流电源备份方式

大型通信站交流电源一般都由高压电网供给，自备独立变电设备。而基站设备常常直接租用民用电。为了提高供电可靠性，重要通信枢纽局一般都由两个变电站引入两路高压电源，并且采用专线引入，一路主用，一路备用，然后通过变压设备降压供给各种通信设备和照明设备，另外还要有自备油机发电机，以防不测。一般的局站只从电网引入一路市电，再接入自备油机发电机作为备用。一些小的局站、移动基站只接入一路市电（配足够容量的电池），油机为车载设备。

1.2.2  直流供电系统1. 系统组成

通信设备的直流供电系统由高频开关电源（AC/DC变换器）、蓄电池、DC/DC变换器和直流配电屏等部分组成。

2. 整流器：

从交流配电屏引入交流电，将交流电整流为直流电压后，输出到直流配电屏与负载及蓄电池连接，为负载供电，给电池充电。

3. 蓄电池：

交流停电时，向负载提供直流电，是直流系统不间断供电的基础条件。

4. 直流配电屏：

为不同容量的负载分配电能，当直流供电异常时要产生告警或保护。如熔断器断告警、电池欠压告警、电池过放电保护等。

5. DC-DC变换器：

DC/DC变换器将基础电源电压（-48V或+24V）变换为各种直流电压，以满足通信设备内部电路多种不同数值的电压（±5V、±6V、±12V、±15V、-24V等）的需要。

近年来，由于微电子技术的迅速发展，通信设备已向集成化，数字化方向发展。许多通信设备采用了大量的集成电路组件，而这些组件需要5V~15V的多种直流电压。如果这些低压直流直接从电力室供给，则线路损耗一定很大、环境电磁辐射也会污染电源，供电效率很低。为了提高供电效率，大多通信设备装有直流变换器，通过这些直流变换器可以将电力室送来的高压直流电变换为所需的低压直流电。

另外，通信设备所需的工作电压有许多种，这些电压如果都由整流器和蓄电池供给，那么就需要许多规格的蓄电池和整流器，这样，不仅增加了电源设备的费用，也增加了维护工作量。为了克服这个缺点，目前大多数通信设备采用DC-DC变换器给内部电路供电。

DC-DC变换器能为通信设备的内部电路提供非常稳定的直流电压。在蓄电池电压（DC-DC变换器的输入电压）由于充、放电而在规定范围内变化时，直流变换器的输出电压能自动调整保持输出电压不变。从而使交换机的直流电压适应范围更宽，蓄电池的容量可以得到充分的利用。