通信基站监控设备电源综合浪涌防护研究

肖良平，侯晓荣，肖 豆，陆金波

（电子科技大学能源科学与工程学院，成都 610054）

0 引言

通信基站常建于高楼顶端、山顶等地势突出位置，容易遭受到雷击或雷电感应，危及基站内部监控设备的安全。雷电入侵通信基站的主要途径有[1]：经过交流配电系统入侵，基站内部的电源线路可能会因为感应雷的影响，导致基站监控设备出现故障；或经直流系统入侵，基站内部直流供电设备感应雷电冲击，基站监控设备的电能来自基站内的直流配电箱-48 V DC电源，因此浪涌电流容易沿着监控设备供电线传输至设备电源输入端，破坏设备电源。在这种复杂的电磁环境中，监控设备需要可靠电源浪涌防护才能保证监控设备正常的电能供给，保证监控设备持续可靠地工作，因此对基站监控设备电源防护研究很有实际意义。

电源浪涌防护方面已有许多研究。如文献[2]给出了气体放电管在开关变换器中的选择和设计方案，可是在直流电源防护中，由于放电管的续流问题，只采用气体放电管是无法做到安全防护浪涌电流；文献[3-4]研究变电站特殊环境下微机电源防雷保护，设计了电源防雷滤波器消除高频浪涌的影响，没有给出滤波器的插入损耗；文献[5]研究风电机组控制系统交流电源的浪涌电流防护，但只说明了电路防护效果；文献[6]分析了LED驱动电源的抗雷击浪涌电路，该电路设计的泄流容量有限差模1 kV、共模2 kV雷击高压，重点研究了浪涌防护效果，缺乏对电源传导骚扰情况的研究。文献[7]分析了LED驱动电源EMI滤波电路以及电路参数对插入损耗影响，而缺少关于电路浪涌保护的分析。另有一些相关研究[8-10]，针对AC电源线采用LC隔离两级浪涌保护，增强浪涌电流的防护，但缺少对滤波效果的评估。已有的综合防护方案，分析重点是如何抑制高频浪涌的冲击，缺乏对DC/DC电源EMI滤波的考虑。笔者提出了一种综合浪涌电流防护方案，解决浪涌电流防护问题和抑制DC/DC电源传导骚扰的问题，使得整个方案满足浪涌抗扰度和传导骚扰限值要求。

1 设计原则以及雷电流分析

1.1 设计原则

目前，国际和国内的标准化组织都已制定了关于雷击浪涌相关测试及防护标准，例如IEC 61000-4-5和GB 17626.05等，同时在GB 9254-2008规范中规定了关于信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法，而基站监控设备电源需要达到A级设备的水平。基站设备电源系统浪涌来自两个方面，即内部浪涌和外部浪涌。基站外部浪涌主要来自雷电，经电源线传导到电源系统，或者通过设备电源线感应产生的；电源设备内部浪涌，主要来自DC/DC开关电源。对于电源端的浪涌保护电路都会考虑电路的通流能力、输出残压、响应速度以及使用寿命等方面。对于处于通信基站内部的监控设备，其电源综合浪涌防护电路来说，还应当注意防护的安全可靠性，这包括正常防护和失效防护的分析，同时注意电源电压和多级防护之间电流的泄放。图1为电源板结构示意图，包含两部分:综合浪涌防护部分和DC/DC电源模块。内置的DC/DC电源会带来较大的电磁干扰噪声，因此在综合浪涌防护增加了EMI滤波电路，减少内部开关噪声传导至前级电源-48 V DC输出端的同时也阻止来自线路浪涌高频部分的干扰，因此综合浪涌防护电路需要能够达到抗击浪涌的标准以及限制电源传导骚扰的能力。

图1 电源板示意图Fig.1 Diagram of power supply board

1.2 8/20 μs模拟电涌电流分析

基站设备受到的冲击浪涌电流波形可用8/20 μs模拟，根据IEC 61000-4-5标准，8/20 μs的雷电流波形，图2为拟合雷电流波形，函数表达式为

式中：I(t)为浪涌冲击电流；Ip为浪涌电流峰值；波形系数k=0.01243(μs)-3,τ=3.911 μs。由式（1）可得8/20 μs雷电流拟合曲线。

图2 8/20 μs浪涌仿真波形Fig.2 Surge simulation waveform of8/20 μs

从波形可知，电流上升时间较短，在线路上由于di/dt的存在会在线路上产生高电压，5 kA下8/20 μs雷电流的总电荷由积分计算：

雷电流的单位能量，有近似公式：

式中：W/R为单位能量，即流过1Ω电阻消耗的能量，J/Ω；I为雷电流幅值，A；T2为雷电流波形的半值时间，s。

在5 kA下8/20 μs雷电流单位能量有W/R=357 J/Ω。由此可知，浪涌电流对于端口的冲击能量很大，因此，足见在设备电源端口处设置浪涌防护尤为重要。

2 电源综合防护设计

对于普通DC/DC开关电源，浪涌电流往往来自内部的容性器件[11]，在电容处于尚未通电的初始状态下，供电线开关导通的瞬间将会产生很大的浪涌电流，损害电路元件。而在通信基站电磁环境较为恶劣的条件下，更多的是防护来自外部电源线传导的浪涌电流，因此本设计主要是抑制外部5 kA浪涌电流，测试波形采用8/20 us浪涌电流波形。

2.1 整体方案设计

浪涌防护一般选用的防护器件有气体放电管、压敏电阻和TVS管，单一使用某种器件很难达到良好的浪涌防护效果，因此需要它们之间相互配合使用，抑制浪涌。

通常电源传导干扰频率分布，差模干扰主要作用在10～100 kHz频率，对于共模干扰在1～30 MHz频率下占据主导作用。DC/DC开关电源的传导干扰度无法满足A类要求，采用复杂多级滤波结构改善阻抗适配条件下的EMI滤波效果，采用如图3所示综合浪涌防护设计结构。

防护设计摒弃了采用放电管或压敏电阻单一、直接地并联到电源输入端的设计思路，而是采用复合方案，这种方式避免了单一放电管在受到浪涌电压波动导通时无法扼制气体放电管续流而导致电源短路问题，也避免了压敏电阻由于漏电流等因素缩短压敏电阻寿命问题。受到共模浪涌电流冲击时，浪涌电流通过压敏（Z2或Z3）和放电管G3泄放；受到差模浪涌电流冲击时，浪涌电流通过压敏Z1和放电管G1泄放到大地，TVS管D1、D2和 D3作为二级限压。为了避免浪涌冲击下共模电感产生谐振，损坏功率器件，共模电感两侧并上一个气体放电管，可以避免谐振引起共模电感的过电压。

图3 综合浪涌防护电路Fig.3 Integrated surge protection circuit

2.2 防护电路作用瞬态分析

压敏和气体放电管串联导通下等效电路见图4，在MOV等效模型[12-13]中，L1为引线电感（约1nH/mm）；R2为引线电阻；RV1为非线性电阻，其呈现3种状态，在漏电流区为Rleak，在泄流区为Rd，在非线性大电流区为RB。这3种状态下电阻大小为Rleak≫Rd≫RB。其中Rd决定了压敏的电气特性，C1为晶界电容。放电管在导通时，L为电路杂散电感，可假设U2(t)=GeAt。受到浪涌电流产生的高压时，电路存在：

图4 压敏和气体放电管导通瞬态等效电路Fig.4 Transient equivalent circuit of gas discharge tube and varistor

若忽略L1和R2，则可求：

2.3 电路滤波特性分析

根据图3所示综合浪涌防护电路结构，可知共模、差模高频滤波等效电路分布见图5和图6。

图5 共模滤波高频等效电路Fig.5 High-frequency equivalent circuit of the common mode filter

图6 差模滤波高频等效电路Fig.6 High-frequency equivalent circuit of the differential mode filter

从图5共模滤波高频等效电路可知，在理想情况下共模滤波器按照斜率40 dB/10(oct)曲线衰减。电源线对地之间由于有共模电容CY=C2的存在，使得电流漏电流，漏电流有限制要求，漏电流近似：Ig=2πf∙U∙CY∙10-6(mA)。供电电源可能来自基站备用电池，电源电压波动范围：-60～-40 V。

图6差模滤波高频等效电路，其由共模漏感Lleak、差模电感L2以及CX电容C1、C4、C5和CY电容C2其高频等效电路组成。

在Pspice中，对设计的滤波器进行插入损耗分析，在寄生参数存在的情况下，分析可得插入损耗曲线见图7，测试负载50 Ω。在f=230 kHz左右，共模插入损耗约为-45 dB，差模损耗约为-26 dB。在等效电容和电感谐振点处，插入损耗达到最大值，谐振点后，损耗逐渐降落。共模插入损耗约在f=600 kHz达到最大，损耗为-123 dB，差模插入损耗约在f=11 MHz，达到最大-100 dB。

图7 寄生参数下电路插入损耗Fig.7 Circuit insertion loss under parasitic parameters

3 仿真及试验结果

在图3综合防护方案中，通流量为5 kA，通常采用两个压敏泄流并联，以满足泄放要求。因此按照选用压敏通流要求，Z2和Z3选用压敏MOV-20D121K型号，其峰值通流6.5 kA，允许线路电压100 V DC，脉冲电流8/20 μs下最大拑位电压200 V/100 A，两个并联之后通流量可达到13 kA，可以满足设计要求。同时，Z1也采用两个MOV-20D820K型号压敏并联。G1采用直插大通流量10kA的放电管N81-A90X，可耐受10 kA的8/20 μs波形10次冲击，在50 V DC下绝缘电阻大于10 GΩ。G2为三端放电管，采用TDK公司T23-A230可耐受20 kA的8/20 μs波形正负5次冲击，单次可泄放25 kA浪涌电流，在浪涌电压上升1 kV/μs时，电压小于450 V。并联在电感两侧的气体放电管G3型号为SPA230F，可耐受2.5 kA冲击电流，直流击穿电压230 V DC。共模电感T的电感量为15 mh，C1值为1uf，L2和L3为47 uH。

监控设备后级DC/DC电源接上负载后，在没有加入综合滤波器之前，测试电源端口的传导干扰试验波形见图8，测试仪器按照GB 9254—2008测试要求进行测试。

图8 无综合浪涌防护电路电源传导N线测试曲线Fig.8 No comprehensive surge protection circuit power supply conduction N-wire test curve

在接入综合防护器之后，按照相同标准测试的曲线见图9。对比两个波形，图8中在没有接入之前，干扰频率在1 MHz以下准峰值和平均值有超过限值的频率点。从测试数据可知，在频率f=231 kHz时是最高点，准峰值达到89 dB，超出规定限值10 dB；平均值达到89.4 dB，超出规定值23.4 dB。在接入图9后显示，电源设备达到规定A类要求，在频率f=231 kHz左右时，准峰值为55.9dB，接入综合防护器，干扰噪声信号损耗约33 dB，与理论值仿真约相差10 dB，造成这个偏差可能原因有：在Pspice等效电路下，寄生参数是通过理论计算得到的，理论计算并没有考虑实际布线带来的影响。当频率f＜3 MHz时，综合防护电路的噪声干扰衰减很明显；由于器件在高频下寄生参数影响，使得频率f超过3 MHz时干扰衰减效果并不明显。综上对比图8和图9接入综合浪涌防护装置前后的电源传导骚扰的试验波形，可知该电路能够使电源端子传导骚扰限值达到A级水平。

图9 有综合浪涌防护电路电源传导N线测试曲线Fig.9 Integrated surge protection circuit power conduction N-wire test curve

运用PSCAD/EMTDC软件对电源综合防护电路进行定量分析，在共模及差模方式下对8/20 μs雷电流干扰抑制后电路各端的电压波形见图10。从图10中可知，在受到共模和差模5 kA浪涌电流冲击下保护器件端迅速保护，将电压拑位到200 V左右，输出电容端电压受到浪涌冲击下最终趋于平稳，电压将稳定在100 V内，由此可知该电路可以有效抑制浪涌电流。

图10 防护电路下电容输出端和保护输入端电压Fig.10 Voltage of capacitance and protect port after the common mode and differential mode surge

最后试验表明，选择合适容量和规格的器件就能够达到较好的抑制效果。经过制作样品后，按照相关标准对接入样板后的设备进行测试，该电路能够有效抑制浪涌电流的冲击，可以达到5 kA浪涌设计要求，能够有效避免基站浪涌电流对监控设备的冲击，同时能够抑制电源端的传导干扰，保证设备提供可靠电能。

4 结论

在通信基站电磁环境恶劣的情况下，监控设备电源容易受到雷击浪涌暂态过电流的影响，同时存在DC/DC电源传导骚扰问题。针对这些问题，本文提出了新的综合浪涌防护设计方案，并进行了防护电路作用瞬态分析和电路EMI滤波特性分析，通过运用Pspice和PSCAD/EMTDC软件分别对综合防护电路的EMI滤波特性和浪涌电流防护特性进行了仿真研究，仿真结果表明，电源综合防护能够有效衰减电源传导的干扰信号，同时防护电路输出电压低于可承受的最高电压，与试验结果表现一致。所提出的方案，能够达到抗击差模、共模5 kA（8/20 us）浪涌电流的能力，同时电源端子传导骚扰限值满足A类设备水平。同时该防护电路可以有效解决压敏电阻漏电流和放电管续流的问题。