热备份直流电源设备的设计与实现

陈伟麟

（江苏省广播电视总台，江苏 南京 210009）

0 引 言

供电保障是广播电视安全播出保障的基础。供电保障包括外电供电、不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）供电和设备供电三个层级。外电供电一般通过双路不同路由的外电，甚至三路或者专线来提高保障水平[1]。UPS不间断电源主要提供外电中断时设备供电的不间断[2]，供电时间由UPS电池容量和供电负荷决定，一般不少于半小时。而设备供电一般指设备内部或外部的电源模块。对于单电源模块设备，如果外电中断或者电源模块自身故障，设备无法连续工作；如果是双电源模块设备，可切换至另一路继续供电。

目前，常用的交换机、光收发设备、微波设备等设备一般采用直流电源供电。对于直流设备，若要使用外电或UPS输出的电源，需要对交流电进行整流。整流的方式一般采用直流电源柜或外置开关电源模块。直流电源柜成本高、占用空间较大，如果只为少量设备配置，性价比比较低，因此较多采用外置的开关电源模块[3]。对于保障等级要求较高的传输设备，外置的开关电源模块不仅不方便维护，其本身作为单节点设备，也无法实现双电源倒换、负载均衡等保护[4]功能。

为降低单电源直流供电设备的供电风险，本文通过采用双电源、独立整流器、负载均衡输出等技术，设计研制了小型化的直流单电源设备的双电源热备份供电设备，以提高直流电源设备的供电可靠性。

1 设计目标

根据以上对各种设备不同供电方式的表述，本文针对双电源热备份供电设备的设计目标如下。

（1）双外电输入、负载均衡输出。可同时接入两路不同外电，双路外电同时为设备供电，避免单路长期承担全部负载造成的老化，降低单路故障的可能，减少对设备的影响。

（2）独立整流、并联备份。外电通过不同的独立整流器，两套整流电路并联使用，彻底消除电路单一节点，实现整流电路热备份。

（3）故障自动切换。一路外电故障或整流器故障时，负载自动全部倒换至另一路供电，不影响设备功能。

（4）供电状态显示。直观显示正在使用哪路外电。

（5）小型化。设备体积1 RU，支持机架安装。

（6）远程监控。设备具有通信接口，支持远程监控系统对设备供电状态的实时监控。

2 设计方案

为实现以上目标，本文方案采用双输入、双整流及二极管倒换等关键技术，供电流程如图1所示，主要分为输入部分、电源部分以及并联部分。

输入部分，双路220 V交流输入，根据台站供配电配置情况，选择两路不同回路的外电接入。电源部分，两套独立的整流电路，互为备份，输出指标优良的48 V直流电源。并联部分，利用二极管单向导通特性，实现电路并联。

经过倒换的可靠直流电源，通过合路、分配成需要的路数，最终为直流设备供电。

3 具体实现

3.1 整体电路设计

本设备设计在一个1 U的标准机箱中，实现直流电源双输入双整流的热备份功能，具体电路如图2所示。

图2 直流电源设备电路图

输入端为交流220 V外电1#和2#，分别送入独立整流电源，变为1#和2#直流，通过二极管的通断功能，实现整流电源的热备份、负载均衡和自动倒换输出，达到直流不间断供电的目标。在整流输出和倒换后对电路电流、电压状态进行采集，并进行协议转换，通过IP方式、网线接口进行远程通信。

3.2 整流器电路

电源是向电子设备提供功率的装置，提供电子设备中各部件运行所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。电源主要有线性电源和开关电源两种设计。开关式直流电源和线性电源的根本区别在于，它的变压器不工作在工频，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态。开关电源的优点是效率高（可以达到80%～95%）、稳定可靠，缺点是相较于线性电源纹波较大（一般不大于输出电压的1%），但在输出端并接稳压二极管可以改善[5]。线性电源的工作方式，使它从高压变低压时必须有降压装置，再经过整流输出直流电压。这样一来，它的体积就很大，效率低，发热量也大。考虑到设备体积限制和转换效率，本文选择开关电源作为220 V交流到48 V直流的整流装置。

本设计中，单个整流器的电路由主电路、控制电路、检测电路及辅助电源四部分组成，整体结构如图3所示。

图3 整流电路框图

主电路包括冲击电流限幅、输入滤波器、整流与滤波、逆变以及输出整流与滤波等部分。冲击电流限幅是限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流，输入滤波器的作用是过滤电网存在的杂波，阻碍本机产生的杂波反馈回电网；整流与滤波部分将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，逆变部分是将整流后的直流电变为高频交流电，这是整流电源的核心部分；输出整流与滤波主要是根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使得输出稳定；另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

检测电路提供保护电路中正在运行中的各种参数和各种仪表数据。辅助电源实现电源的软件启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

3.3 二极管电路

由于系统中存在双电源，在实际情况下，并联的双电源的电压不可能完全一致，必然存在电压差，因此可能造成其中一个直流电源向另一个电源充电[6]。原理如图4所示。当DC 1的正极电压高于DC 2正极电压时，电流会按照图中箭头方向移动，此部分电路产生较大电流，造成电路和DC 2短路。

图4 双电源电路反向充电

为避免上述情况发生，本文在电路中增加二极管，依靠二极管的单向导通特性，使得无论哪一个电源电压较高，电流都只会按照一个方向移动，实现了双路电源同时供电。甚至在一个电源电压趋近于0时，另一个电源仍能为负载提供正常的电压，这就等同于实现了自动倒换。

图5 二极管实现单向导通

为使该设备实现最佳的电路性能，本文选用了肖特基二极管。此二极管的特性是正向压降低，正常工作电流下仅有不到0.6 V，从而将电路的功耗损失和二极管的器件发热量控制在合理范围内。

3.4 机箱设计

机箱设计为1 U高度，同时兼顾高集成度和高性能。前后面板如图6、图7所示。

图6 设备前面板图

图7 设备后面板图

为满足整流电源模块的散热需求，机箱上盖板根据模块风扇位置开孔，实现机箱上进风、侧出风的散热风道。

直流电源接口选用NEUTRIK带锁航空电源插头和插座，实现电源线的快速拔插和可靠连接，可防止因电源线拉扯而造成电路中断；通过RJ-45网线接口、IP输出的方式，可以实现对2路电源及输出电流、输出电压的远程监控。

4 设备测试

该设备完成设计并生产组装后，进行了充分的性能与功能测试，各项指标满足行业标准及使用需求，较好地达到了设计目标。

性能方面，输出电压精度在48 V±1%，输出最大波纹与噪声＜200 mV（峰-峰值），启动时间＜16 ms。使用大功率可调电阻器作为负载，阻值设为7.2 Ω（负载为48×48÷7.2=320 W）测试单电源，持续工作30 min无异常；阻值设为3.6 Ω（负载为48×48÷3.6=640 W）测试双电源，持续工作30 min无异常。满负载稳定工作30 min后，风扇工作正常，使用红外测温仪测量，机箱散热口出风温度＜70 ℃。

功能方面，前面板指示灯可根据整流模块输出状态正常显示。双电源输入时，中断一路输入，输出正常且无闪断，切换功能正常。

5 结 语

本文设计的设备在一台1 U机架式设备上实现将220 V交流转-48 V直流、负载均衡、双路电源自动切换功能，为直流电源设备提供高可靠、易维护、高集成的供电保障。设备成本低，体积小，稳定性高，并且充分考虑到广电设备维护运行规范和惯例，适合在规模不大的广电直流电源设备如微波传输系统设备上应用。该设备现已推广至部分省级发射台使用，反映良好，具有广阔的应用前景。