基站电源设计Word格式.docx

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A、线性电源：

输入的交流电通过工频变压器后，经过整流，滤波稳压使之成为稳定的直流。

B、相控电源：

可控硅在正向输入电压及触发信号作用下导通，在输出端得到平均电压。

C、开关电源：

控制开关以一定的频率重复地接通或断开，在开关接通时，输入电源通过开关和滤波电路向负载供电，当开关断开时，输入电源中断供电，由储能装置向负载供电。

2、开关电源的调制方式

开关电源有三种调制方式，即脉冲宽度调制方式，脉冲频率调制方式和混合调制方式。

开关电源多采用脉冲宽度调制方式。

A、脉冲宽度调制（PWM）：

脉冲宽度调制方式指开关周期恒定，通过改变控制脉冲宽度来改变占空比的方式。

B、脉冲频率调制（PFM）：

脉冲频率调制方式是导通脉冲宽度横定，通过改变控制脉冲工作频率来改变占空比的方式。

C、混合调制：

混合调制是控制信号的宽度和工作频率都不固定，彼此都能改变的方式。

3、开关电源系统组成

开关电源组成如下图，主要由交流配电，整流器，直流配电及控制器等四部分组成。

4、开关电源实现均流的方法

实现均流方法有主从配置法，平均电流法，及民主均流法三种。

A、主从均流法：

是指人为选定一台整流器为主整流器，以该整流器输出电流为基础进行调整，一旦主整流器有故障，系统将因无主而失去控制，不能进行均流工作。

B、平均均流法：

是指以所有整流器输出电流平均值为基础进行调整，所有整流器通过一共同电阻相连，如果某整流器故障或停止工作，系统均流将会受到影响。

民主均流法：

是由整流器内的均流电路通过扁平护套线与均流总线构成均流系统，系统内的整流器通过比较随机产生一个主模块，其输出电流稍大，其它的为副模块，它们将通过放大环节提高其输出电流，以自动向主模块的输出电流靠拢，当主模块发生故障，它将自动脱开，再从其余模块中选出一个新的主模块，并重新民主均流，从而提高系统的可靠性。

1移动基站的特殊条件及对通信电源设备的要求

随着移动通信的高速发展，移动基站的数量在不断增加，并由城市逐步向偏僻的乡村发展。

散落在人们生活中每一个角落的移动基站，与一般通信机房相比有其特殊的工作条件。

这些特殊的工作条件对用于移动基站的通信电源设备提出了更高的要求。

主要表现在以下几个方面：

1）采用农网供电的移动基站其供电质量无法得到保证，因此要求通信电源能适应较宽的电网电压波动，一般在±

30％以上。

另外，移动基站电网的操作过电压、雷电过电压较严重，通信电源应有可靠的过电压及防雷保护措施。

2）许多移动基站在设备投运初期，经常有潮湿、高温、粉尘等情况出现，因此要求通信电源具有防潮、防高温、防尘等措施。

3）移动基站数量多、无人职守，因此要求通信电源维护方便、操作简单，具有远方监控和较强的故障诊断功能。

4）为保证通信畅通，移动基站通信电源应具有缺相运行功能。

2移动基站通信电源系统的可靠性、可维性和可用性解决方案 

针对移动基站对通信电源设备的具体要求，而提出的移动基站通信电源系统的可靠性、可维性和可用性解决方案如下：

2.1移动基站通信电源系统的可靠性设计 

移动基站通信电源系统的可靠性设计，主要用于解决移动基站特殊环境对通信电源系统提出的过高要求。

可靠性解决方案如下：

1）将电源模块允许的交流输入电压波动范围提高到±

30％，这样可提高电源系统对电网的适应性。

2）电源模块采用自然冷却方式，自然冷却（与风冷相比）可从根本上避免由于风机损坏对电源系统可靠性的影响和电源运行若干年后需要大面积更换风机的风险。

3）移动基站通信电源系统增设综合过电压保护电路，并将雷电过电压保护、非雷电过电压保护一体化，保证在出现雷电过电压、非雷电过电压时，移动基站通信电源可以得到有效的保护。

移动基站通信电源综合过电压保护原理电路如图1所示。

4）移动基站通信电源的故障隔离设计是提高电源系统可靠性的重要方法。

该设计将电源监控故障与电源模块故障隔离开来；

将故障电源模块与正常电源模块隔离开来。

使电源系统在电源监控故障、部分电源模块故障时仍可以继续供电。

2.2移动基站通信电源系统的可维性设计 

移动基站通信电源系统的可维性设计的目的是使通信电源系统的故障维修尽量简单。

主要表现在电源模块更换的方便性、系统故障的诊断等。

可维性解决方案如下：

1）电源模块的安装方式采用带电插拔方式，电源模块在任何状态下可任意插入和拔出。

为此，设计了电源模块动态识别电路，该电路可以保证在电源模块插拔过程中不影响系统均流电路的工作。

带电插拔均流总线动态识别控制电路如图2所示。

电路中A点的电位跟随均流总线的电位变化。

正常的负载变化时，均流总线上电位的变化较小，带电插拔均流总线动态识别控制电路输出点B的电位为低电平，均流继电器保持吸合不变；

当均流总线电位的变化较大时，带电插拔均流总线动态识别控制电路输出点B为高电平，均流继电器断电，模块输出的均流线与系统均流总线断开，模块运行不受均流总线突变的影响。

当系统恢复正常时带电插拔均流总线动态识别控制电路输出恢复低电平，均流继电器吸合，系统正常运行。

电源模块的带电插拔可使电源系统的维修时间最短、维修难度最低。

2）移动基站通信电源系统监控的故障诊断功能为电源系统的维护提供方便。

故障诊断软件可对电源模块的内部故障，电源系统的输入、输出故障提供准确的故障诊断及故障定位，并将电源系统的故障信息远传至交换中心的值班室，为电源系统的维修提供准确的信息服务。

2.3移动基站通信电源系统的可用性设计 

移动基站通信电源系统的可用性设计的目的是使通信电源系统适应移动基站特殊工况的要求。

对移动基站通信电源系统的可用性解决方案主要有以下几个方面：

1）电源模块的带载特性移动基站的特殊工况是电源系统安装调试时电源设备经常处于空载状态，正常运行时电源设备处于轻载状态。

为提高通信电源系统的可用性，而对电源模块的电路拓扑及控制电路进行了改进，使电源系统可以在空载状态下长期运行，48V/50A电源模块的空载损耗小于20W，轻载时的效率得到提高。

2）电源模块的缺相运行特性移动基站的供电质量无法得到保证，有时输入电源会缺一相，这对三相输入的高频开关电源模块而言，正常情况下应该立刻保护，关闭模块。

但这样对电源维护时间提出了较高的要求。

为此，在电源模块设计时增加了缺相运行功能。

当出现输入电源缺一相时，电源模块在提供缺相故障告警的同时，应可继续运行，并可带50％以下的负载。

缺相不停机为移动基站的通信畅通提供了可靠保证。

3）电源系统的蓄电池实现智能管理电源监控单元与电源模块配合，将蓄电池的均衡充电分为恒流、恒压两个阶段。

蓄电池的均浮充电压按蓄电池的具体参数设置。

蓄电池的均浮充电压根据蓄电池的环境温度由监控自动进行补偿调整，使蓄电池在各种环境温度下都能保持满容状态。

3开关电源的电磁兼容性问题 

通信开关电源因工作在高电压大电流的开关状态下，其引起的电磁兼容性问题是相当复杂的。

从整机的电磁兼容性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种。

电磁兼容产生的三个要素为：

干扰源、传播途径及受干扰体。

共阻抗耦合主要是干扰源与受干扰体在电气上存在共同阻抗，通过该阻抗使干扰信号进入受干扰对象。

线间耦合主要是产生干扰电压及干扰电流的导线或PCB线，因并行布线而产生的相互耦合。

电场耦合主要是由于电位差的存在，产生的感应电场对受干扰体产生的耦合。

磁场耦合主要是大电流的脉冲电源线附近产生的低频磁场对干扰对象产生的耦合。

而电磁波耦合，主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，对相应的受干扰体产生的耦合。

实际上，每一种耦合方式是不能严格区分的，只是侧重点不同而已。

在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，开关电压及开关电流均为方波，该方波所含的高次谐波的频谱可达方波频率的1000次以上。

同时，由于电源变压器的漏电感及分布电容，以及主功率开关器件的工作状态并非理想，在高频开或关时，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。

用于整流及续流的开关二极管，也是产生高频干扰的一个重要原因。

因整流及续流二极管工作在高频开关状态，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，而产生高频振荡。

因整流及续流二极管一般离电源输出线较近，其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。

通信开关电源为了提高功率因数，均采用了有源功率因数校正电路。

同时，为了提高电路的效率及可靠性，减小功率器件的电应力，大量采用了软开关技术。

其中零电压、零电流或零电压零电流开关技术应用最为广泛。

该技术极大地降低了开关器件所产生的电磁干扰。

但是，软开关无损吸收电路多利用L、C进行能量转移，利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换，因而，该谐振电路中的二极管成为电磁干扰的一大干扰源。

通信开关电源中，一般利用储能电感及电容器组成L、C滤波电路，实现对差模及共模干扰信号的滤波，以及交流方波信号转换为平滑的直流信号。

由于电感线圈的分布电容，导致了电感线圈的自谐振频率降低，从而使大量的高频干扰信号穿过电感线圈，沿交流电源线或直流输出线向外传播。

滤波电容器，随着干扰信号频率的上升，由于引线电感的作用，导致电容量及滤波效果不断下降，直至达到谐振频率以上时，完全失去电容器的作用而变为感性。

不正确地使用滤波电容及引线过长，也是产生电磁干扰的一个原因。

通信开关电源由于功率密度高、智能化程度高，带MCU微处理器，因而，其中有从高至近千伏到低至几伏的电压信号，从高频的数字信号至低频的模拟信号，电源内部的场分布相当复杂。

PCB布线不合理、结构设计不合理、电源线输入滤波不合理、输入输出电源线布线不合理、CPU及检测电路的设计不合理，均会导致系统工作的不稳定或降低对静电放电、电快速瞬变脉冲群、雷击、浪涌及传导干扰、辐射干扰及辐射电磁场等的抗扰性能力。

4电磁兼容性研究及解决方法 

电磁兼容性的研究，一般运用CISPR16及IEC61000中规定的电磁场检测仪器及各种干扰信号模拟器、辅助设备，在标准测试场地或实验室内部，通过详尽的测试分析、结合对电路性能的理解来进行分析研究。

从电磁兼容性的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性，可从三个方面入手。

1）减小干扰源产生的干扰信号；

2）切断干扰信号的传播途径；

3）增强受干扰体的抗干扰能力。

在解决开关电源内部的电磁兼容性时，可以综合运用上述三个方法，以成本效益比及实施的难易性为前提。

对开关电源产生的对外干扰，如电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等，只能用减小干扰源的方法来解决。

一方面，可以增强输入输出滤波电路的设计，改善有源功率因数校正（APFC）电路的性能，减小开关管及整流续流二极管的电压电流变化率，采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。

另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄漏，并进行良好的接地处理。

而对外部的抗干扰能力，如浪涌、雷击应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力。

通常，对1.2/50μs开路电压及8/20μs短路电流的组合雷击波形，因能量较小，可采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决。

对于静电放电，通常在通信端口及控制端口的小信号电路中，采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离，或选用具有抗静电干扰的器件来解决。

快速瞬变信号含有很宽的频谱，很容易以共模的方式传入控制电路内，采用防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波（如加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等）来提高系统的抗扰性能。

减小开关电源的内部干扰，实现其自身的电磁兼容性，提高开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几个方面入手：

注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确分区、数字电路与模拟电路电源的正确去耦；

注意数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻干扰、减小地环的影响；

布线时注意相邻线间的间距及信号性质，避免产生串扰；

减小地线阻抗；

减小高压大电流电路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容电路所包围的面积；

减小输出整流电路及续流二极管电路与直流滤波电路所包围的面积；

减小变压器的漏电感、滤波电感的分布电容；

采用谐振频率高的滤波电容器等。

MCU与液晶显示器的数据线、地址线工作频率较高，是产生辐射的主要干扰源；

小信号电路是抗外界干扰的最薄弱环节，适当地增加高抗干扰能力的TVS及高频电容、铁氧体磁珠等元器件，以提高小信号电路的抗干扰能力；

与机壳距离较近的小信号电路，应加适当的绝缘耐压处理等。

功率器件的散热器、主变压器的电磁屏蔽层要适当接地，综合考虑各种接地措施，有助于提高整机的电磁兼容性。

各控制单元间的大面积接地用接地板屏蔽，可以改善开关电源内部工作的稳定性。

在整流器的机架上，要考虑各整流器间的电磁耦合、整机地线布置、交流输入中线、地线及直流地线、防雷地线间的正确关系、电磁兼容量级的正确分配等。

开关电源对内、外的干扰及抗干扰中，共模信号与开关器件的工作方式、散热器的安装及整机PCB板与机壳的连接有相当复杂的关系，共模信号在一定的条件下又可转变成差模信号。

解决共模干扰最简单的方法是解决好各电路单元及整机端口、机壳间的问题。

整机屏蔽难以实施且成本较高，在无可奈何的情况下才采用该措施。

5结语 

移动基站的特殊工作环境与工况，决定了对移动基站通信电源系统的特殊要求。

结合为移动基站提供电源的实践与经验教训，提出了移动基站通信电源系统可靠性、可维性和可用性解决方案。

该方案已经在我们的产品中得以实现，并在具体应用中得到验证。

实践表明，模块的带电插拔特性、空载运行特性、允许输入电压波动范围大、故障诊断功能、自然冷却方式对移动基站电源系统是非常需要的。