不同模式下直流供电关键瓶颈分析

刘 驰，周 进，李 明

（78156部队，重庆 400038）

0 引 言

通信电源是通信系统必不可少的重要组成部分，其核心是安全、可靠、高效、不间断地向通信设备提供供电保障，满足并保证各类通信设备的正常运行[1]。电源作为通信设备的“心脏”，地位至关重要。通信设备发生故障时，一般是单个端口、单个板件或者单台设备出现故障，其影响面较小，是局部性的。但是如果通信电源系统发生故障，该台站的所有通信设备都将停止工作，通信系统将全部中断，将造成方向性或者区域性的通信中断，影响面极大。近年来，电源设备故障造成的通信系统事故时有发生，严重影响信息通信安全。

为实现信息通信安全可靠不间断的目标和增加运行可靠性和稳定性，信息通信设备自身不断发展，其供电模式从单路输入到2路主备输入，到多路主备输入。这些供电模式需求的提出，标志着通信设备对供电保障提出更高要求。供电输入路数不断增加的目的就是增加供电的可靠性，尽一切可能避免因供电中断影响信息通信安全。为适应供电需求模式的变化，通信电源系统与时俱进，不断改进供电模式。本文主要研究分析对比了高频开关电源到通信设备之间存在的不同直流供电模式，力求找出合理的直流供电模式。

1 单电源单路供电

在早期的光传输设备、网络设备和程控交换设备以及目前大部分小型通信设备的供电要求中，都只设计了1路电源输入模式，不支持双路输入供电功能，使用中只能接入一路电源，未考虑备用供电途径，无法实现双电源供电，如图1所示。

图1 直流单路供电模式

从此种供电模式的供电路径可以看出，市电经各模块整流后为负载提供直流保障，同时为蓄电池充电，整流模块为n+1冗余备份。蓄电池为2组后备，与高频开关电源柜内的汇流母排直接相连。当市电正常时，直流供电不会出现中断的可能。当市电中断，整流模块无法工作时，蓄电池组为通信负载提供供电保障。从图1可以看出，从高频开关电源汇流母排到通信设备电源输入端子这唯一供电路径上存在中断风险。当供电路径上的任何1个熔断器、开关、线缆接头或插座出现故障时，会导致这条供电路径阻断，供电中止，通信设备无法正常工作。这种单一路径供电模式虽然在故障率较高的整流模块和蓄电池上做了备份，但是忽略了供电路径上的中断风险，可靠性较低，不能满足目前通信设备高可靠性保障要求。

2 单电源双路供电

为了提高供电可靠性，降低因供电路径中断而供电中断的风险，部分通信设备在硬件设计上采取双路输入供电方式。单电源双路供电模式如图2所示。

图2 单电源双路供电模式

从图2可以看出，采取双路供电方式，一方面弥补了单一供电路径的不足之处，另一方面也适应和满足了通信设备双路供电输入的需求。在通信设备具有双路供电输入的前提下，从1台高频开关电源汇流母排上引出2路独立供电路径，确保1路供电路径出现故障时，不会造成通信设备供电中断，有效避免单供电路径造成的阻断风险。

单电源双路供电模式从整流模块、蓄电池及供电路径上均实现了主备备份，大大提高了供电可靠性，避免了因单点故障造成的通信设备供电中断。但是此种供电模式也存在单电源故障风险。在长期运行实践中，曾多次出现因操作失误造成高频开关电源汇流母排及输出回路正负极瞬间短路，输出电压瞬时降低，通信设备供电中断的故障案例。通过实验模拟开关电源输出瞬间短路时，测试其输出电压波动程度。当瞬间短路出现时，其输出电压最低为35.4 V,持续时间为3 ms，在通信设备侧测量结果为最低电压为13.2 V，持续时间为4 s。该电压数值已经远远低于通信设备最低输入电压要求（-38.4 V），持续时间也己经超过设备无感知时间，将造成通信设备供电短时中断，导致设备重启，严重影响方向性、系统性通信安全。

3 双电源双路模式

为解决单电源存在的瞬间短路故障隐患，真正实现双设备、双路径供电保障，很多通信台站实现了双电源双路径配置模式。双电源系统就是1个通信设备的电源板主备电源从2个不同的开关电源引入，当其中1套开关电源出现故障时，另1套电源依然能够为设备进行不间断的供电，从而确保了设备的正常运行[2]。

这种双电源双路径模式因通信设备电源输入端的不同存在2种情况。

3.1 双路并联

一般的通信站点未严格要求2路直流电源系统间必须实现物理隔离，由于存在直流配电设备或通信设备内部的双路供电合路装置，导致2台高频开关电源输出并联[3]。直流双电源双路并联供电模式如图3所示。

图3 直流双电源双路并联供电模式

如图3所示，通信设备设计了2路电源输入接口，配置了2套独立高频开关电源为其供电。但是由于在通信设备内部2路输入实际是并联在一起供电，未实现物理隔离，这样就导致了2台不同的高频开关电源实际是并联在一起工作，这种模式会导致出现一系列的问题。

（1）自动调压死循环。对于通信设备电源模块内部2路输入没有采取隔离措施的情况下，电源输入来自2套不同的开关电源系统，但是由于2套开关电源系统的输出控制、电缆线径长度等很难保持一致，因此在通信设备的输入端将不可避免存在电压压差[4]。

开关电源依靠反馈稳压系统来自动稳定输出电压，当输出电压或负载发生变动时，可以通过检测输出电压大小来反馈电压的变化程度，从而及时调整输出电压至正常值。当2台高频开关电源输出并联在一起工作时，总有一个输出电压高一点，一个输出电压低一点，实际输出电压是2台开关电源输出电压的中间值。实际输出电压值反馈到2台高频开关电源的控制模块，原先输出电压高的以为它输出的电压变低了，从而继续提高它的输出电压；而原先输出电压低的电源以为它输出的电压变高了，从而继续降低它的输出电压。经过以上控制，导致2台开关电源输出电压高的越来越高，输出电压低的越来越低，压差不断增大，直到设备出现故障。

（2）输出负载不均衡。通常情况下，由于电压压差的存在，在从2套不同高频开关电源里引入直流电的过程当中，会造成负载电流出现不均衡的现象发生。电压高的直流电源系统承担负载的电流大，电压低的直流电源系统承担负载的电流小。当压差大于一定值时甚至会出现1台设备承担全部负荷电流的情况。极端情况下，电压高的直流电源系统甚至会出现向电压低的直流电源系统倒灌电流，造成供电回路中的空开跳闸、熔丝熔断及电缆过热进而引起火灾等危险情况发生[4]。

（3）违反蓄电池使用规定。目前通信机房大都使用的是阀控密封铅酸蓄电池。根据其维护要求，一般要求同1台高频开关电源所带的2组蓄电池组是同一品牌、同一型号、同一批次的蓄电池，且新旧蓄电池不能混用。如果违反，将大大缩短蓄电池的使用寿命。根据双电源双路由供电模式原理图可以看出，2台高频开关电源各带2组蓄电池组，但是通过高频开关电源内部的汇流母排和通信设备内部的输入母排，实际上4组蓄电池组是并联在一起，这就导致了不同品牌、不同型号、不同批次、且新旧不一的蓄电池混合使用，将严重缩短蓄电池的使用寿命。

3.2 双路隔离

为真正实现双设备双路径供电保障，解决不同类型高频开关电源电压差与负载均流等各种问题，关键是在通信设备电源输入端实现物理隔离。

华为Optix OSN8800/6800光传输设备是电源输入端物理隔离的代表，其采用是独立链路电源接入的方式。在设备供电中，采用两分区均衡供电，即左区供电和右区供电，或者东向供电和西向供电，每个区需1路主用供电、1路备用供电[5]。从设备总输入路数上看，1台OSN6800设备直流配电总共需要8路输入。但是究其实质，简化到设备每一块板件上还是1主1备2路输入。直流双电源双路独立供电模式如图4所示。

图4 直流双电源双路独立供电模式

如图4所示，每个分区通过2块电源板各接入1套高频开关电源，2块电源接入板互为热备份。通信设备电源接入板将完成对外部电源的防护、滤波处理，然后母板获得标准-48V电源，同时采用隔离二极管合路后通过DC/DC电源模块和电源芯片进行变换得到各器件需要的多种电压。

通过加装隔离模块，有效地避免了2台高频开关电源并联工作时的各种问题。当采用这种方式时，供电保障可靠性得到了极大的提高，并且解决了其他供电模式存在的弊端，有效增强了通信设备供电保障安全，真正地实现了安全稳定可靠供电。

4 结 论

对于通信网络来说，供电保障牵一发而动全身，如何避免电源设备自身故障对通信设备运行造成影响，进一步提高供电保障可靠性，这是通信电源专业一直探索的方向。信息业务大发展对信息传递处理的稳定性、可靠性提出了更高的要求，同时也给通信电源自身稳定运行提出了更高的标准和更严峻的挑战。随着信息通信设备供电需求的不断发展，与之相适应的直流供电模式也不断改变。通过实践的检验，直流双电源双路径供电方式的配置运行是保障当前信息通信设备稳定运行的最佳模式，大大提高了电源系统运行的可靠性和稳定性。