开关电源硬件休眠节能技术

2012-05-24广州杰赛通信规划设计院

移动通信 2012年14期

王剑广州杰赛通信规划设计院

1 背景技术

目前，国内各开关电源制造商生产的各型号开关整流器由于普遍采用了PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）技术和软开关技术，使得整流器的工作效率比原来的老式相控电源高很多，其峰值效率可达到90%以上。但从各厂家产品测试获得的“负载-效率”曲线来看，在负载偏低的情况下，由于整流器内部元器件的固有损耗，其效率并不高。虽然各厂家的产品略有差异，但是总体上看，从实际输出电流0A到110%额定输出电流的负载变化区间内，开关整流器典型的“负载-效率”曲线如图1所示：

图1 开关整流器典型的“负载-效率”曲线图

由图1可以看出，开关电源在40%额定电流输出区间以下，整流器的效率是比较低的，且输出电流越小效率越低。但整流器的持续工作电流过大时，一旦达到或者超过额定工作电流，其工作稳定性会受到影响。因此从提高整流器的工作效率来讲，有必要采取措施确保开关整流器工作在40%～80%的负载区间内。

综上所述，现有开关电源系统的缺陷是：开关整流器没有得到合理的利用，工作效率低，热损耗大，浪费资源。有必要采取合理的技术措施，避免多个整流器工作在效率较低的负载率区间内，提升整个开关电源系统的工作效率，降低热损耗，达到节能的目的。

2 厂家软件休眠方案及缺陷

从2009年开始，国内各开关电源厂家陆续推出了结合自身电源产品的软件休眠节能技术，其普遍的技术原理是：厂家根据自身的开关整流器的“负载-效率”特性，预设一个合理的负载率区间，通过电源系统监控单元实时采集整流器输出电流与总负载电流，计算判断需要工作的整流器数量，然后通过整流器遥控开/关机命令实现对整流器的软关机和开机，达到休眠节能的目的。其原理图如图2所示：

图2 开关电源厂家软件休眠节能原理图

开关电源厂家通过软件升级实现休眠节能，在一定程度上达到了降低系统热损耗的效果，但明显存在以下缺陷：

（1）监控单元故障可能影响系统电流输出能力

处于软件控制休眠节能模式下的开关电源系统，如监控单元发生故障，部分厂家在休眠模式下的整流器即使断电复位也不能自动打开，若此时发生停电故障再来电需要给蓄电池充电的情况，或发生网络扩容导致负载电流增加的情况，则会直接影响到开关电源系统的电流输出能力，严重影响网络运行的安全性。

（2）达不到最佳节能效果

由于整流器休眠节能是通过系统软关机实现的，在热备份休眠模式下，整流器在通信接口部分和辅助电源部分仍有一定的功耗。经检测，平均每个50A的整流器在软关机休眠模式下的损耗为20W～25W。因此，在休眠模块数量越多的情况下，系统模块软关机的固有功耗也越大。

（3）休眠节能的可靠性不高

在监控单元故障情况下，开关电源系统休眠节能功能会丢失，导致回到所有整流器工作的情况。因此，系统休眠节能功能完全依赖于监控与整流器之间的通信状态，可靠性得不到保证。

（4）系统的防雷防浪涌冲击的可靠性得不到提升

在整流器热备份休眠模式下，整流器仅仅被切断了直流输出，其交流输入部分仍然处于带电状态。因此，在雷击或持续过电压冲击的情况时，休眠模式下的整流器仍可能被雷击或过电压冲击导致损坏。严重情况下甚至会导致开关电源系统所有的整流器被雷击损坏，丧失电流输出能力，这与处于非节能模式下的开关电源系统一样，防雷性能得不到任何有效提升。

3 开关电源硬件休眠节能技术

作为公众通信网络中基础设备的开关电源系统，承担着给所有通信设备设施供电的任务，因此对它的任何技术改进措施都必须首先确保电源系统的安全性和稳定性。基于此，在电源厂家通过软件实现休眠节能存在上述缺陷，必须采用新的休眠节能方案来克服。目前，国内出现了最新的通过外围硬件控制的休眠节能技术，并取得了国家专利。其原理图如图3所示。

由图3可知，其基本工作原理是：节能控制器不依赖于开关电源监控单元，而是独立实现对整流器输出电流总和各模块工作状态的检测，通过预先设定的整流器工作效率区间，判断当前负载情况下需要工作的整流器数量，然后控制加装在整流器交流输入前端的继电器，控制整流器的市电输入通断，通过冷备份方式来达到休眠节能的目的。

图3 硬件实现电源休眠节能原理图

相比于电源厂家通过软件实现休眠节能的方式，硬件休眠节能系统具有以下优点：

（1）任何时候都不会影响开关电源的电流输出

由于硬件休眠节能系统采取的是控制整流器交流输入电源的通/断，休眠模式的整流器完全处于断电状态，因此在主用整流器故障或负载电流增大需要打开备用整流器时，不会出现在软件休眠模式下监控单元故障时整流器软关机休眠后不能自动打开的情况。此外，整流器前端控制开关采用了常闭型交流接触器，即使硬件节能系统失效也不会影响到开关电源系统的电流输出能力，确保了网络运行的安全性。

（2）可实现最佳节能效果

由于硬件休眠节能系统自身功耗仅5W，采取的是控制整流器交流输入电源的通/断，休眠模式的整流器完全处于断电状态，因此较之软件休眠节能的情况，省去了整流器软关机状态下的固有损耗，平均每个50A的整流器可节省20W～25W。在休眠模块数量越多的情况下，节省的功耗也越大。

（3）休眠节能的可靠性高

由于硬件休眠节能系统独立于监控单元工作，并在外围建立了一套完整的数据采集与控制系统，因此只要整流器工作正常，节能系统就能充分发挥效力，不受监控单元工作状态的影响。

（4）系统的防雷可靠性大幅提升

由于硬件休眠节能系统采取的是控制整流器交流输入电源的通/断，休眠模式的整流器完全处于断电状态，因此在雷击或持续过电压冲击的情况下，处于冷备份休眠模式下的整流器不会被雷击或过电压冲击损坏。若主用整流器被雷击损坏，则处于冷备份模式的休眠整流器自动投入工作，大幅提高了开关电源系统的防雷击性能，保证了网络运行的安全性。

（5）工程实施简单方便

目前，电信运营商网上都存在不同时期、不同厂家、不同型号的开关电源产品，各电源厂家都只能实现对自身的、部分产品的软件升级休眠节能，对于相对较老的产品则无法实现。而通过硬件实现休眠节能将避免了不同厂家、不同型号的困扰，运营商只需面对一个厂家，可实现对现网所有开关电源产品的休眠节能，工程管理和实施都非常简单方便。