分布式电源系统设计

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分布式电源系统不再使用统一的直流电源给系统供电，而是对系统中不同设备、不同电路板、甚至对同一电路板上不同的电路采用不同的电源供电。系统中低频电路和高频电路，小电流负载和大负载供电线路完全分离。特别在低电压大电流负载时，采用较高电压传输到负载附近再用DC—DC变换模块降压供给负载。系统中各电路的电源相对独立，减少了大电流传输线路，使系统的总效率有一定的提高，并且对可靠性和电磁兼容性问题也比较容易解决。
      一、分布式电源系统结构
  分布式电源系统可分为交流分布和直流分布两种基本结构。每一种结构都可以采用不同的变换模块在深度和广度两个方面扩展，当然两种结构也可以互相渗透。
      (一)交流分布式电源系统
  交流分布式电源系统由多个AC—DC变换模块组成，每一块电路板或一个装置拥有一个AC—DC变换模块，典型结构如图9—30所示。这种结构比较昂贵，因为每一个AC—DC变换模块都需具有整流滤波及抑制电磁干扰电路，也意味着交流电源线围绕整个系统，增加了电磁干扰敏感程度和安全问题。然而，在某些情况下这种结构可能是正确的方案。例如，某电信设备制造厂利用这种结构给某栋楼房中的电信设备供电。每层楼使用一个AC—DC模块，配电结构如图9—31所示。这种结构也应用于某电脑生产厂家的文件服务器中，如图9—32所示。图中CPU板和每一个磁盘驱动器都使用一个AC—DC模块电源。



(二)直流分布式电源系统
  直流分布式电源系统是应用最广泛的一种结构。它一般包含一个交流前端AC—DC模块(或者多个前端模块并连，也可使用冗余技术)，前端模块将交流电压变换成24、48V或300V的直流电压，形成直流分布总线。利用直流总线传输到系统中每一个负载板上，由负载板上的DC—DC变换模块再来产生负载需要的直流电压。这种DC—DC变换可能需要多次。例如，某负载板上需要5V和2．1V两种直流电压，5V电压可利用一个DC—DC模块从48V总线获得，2．1V电压用另一个DC—DC模块从5V电压获得比较好。应该注意，在典型的电信设备中，前端模块不一定见到，因为48V直流总线也许从很远的地方传来，或许是由电池提供。直流分布式电源系统典型结构如图9—33所示。




直流分布式电源系统可根据系统的实际需要，采用如图9—34所示的三种分布方式之一。图9—34a采用按层分布方式，系统中的每一层设置一组DC—DC模块，为该层所有逻辑电路板或外围设备供电。图9—34b采用按功能分布方式，系统中每一种功能部件采用一组DC—DC模块供电。图9—34c采用单板分布方式。系统中每一个逻辑板或磁盘驱动器都由自己的DC—DC模块提供合适的电压、电流。例如，前面提到的文件服务器采用交流分布式电源系统，其实也可以采用直流分布式方案。下面我们给两种不同规模的文件服务器采用单板分布方案设计电源系统。中规模文件服务器包含一个CPU板和28个磁盘驱动器，分4层安装(每层7个驱动器)，电源总功率小于750W；高端文件服务器包含一个CPU板和56个磁盘驱动器，分8层安装，电源总功率小于1500W。两种文件服务器可采用相同类型的模块电源和同一方式的电源系统，只是模块电源的数量不同而已，因此，可节省相当大的开发时间和论证费用。首先需要750W的交流前端AC—DC模块将交流电源变换成48V直流电源。为了提高可靠性采用N+1冗余方案，中规模文件服务器前端模块需要1+1冗余，高端文件服务器前端模块需要2+1冗余。其次，给CPU板和每一个磁盘驱动器配置一个30W双路输出DC—DC模块就可以了。当然，对系统中每一个磁盘驱动器也可以使用N+1冗余方案，由于成本太高，如非特别需要一般不用。




二、分布式电源系统特点
  (一)分布式电源系统的主要优点
  (1)安全可靠性高  由于各部分电源相对比较独立，采用冗余技术或备用电池比较方便，局部电源功率较小，散热及安全保护措施也容易实现，部分电源出现故障不大会影响整个系统正常运行。
  (2)适应性强  由于将整个电源系统化整为零，各部分电源选择比较灵活，容易实现最佳配置。而且，同一设计方案，稍加修改可用于其他系统。更突出的是，如果在系统设计后期需要修改方案，也只是局部修改，不必重新设计整个系统，使系统重构容易并且减少许多浪费。
  (3)系统效率高，输出电压稳定性好  由于减少了低电压、大电流直流输出线路，线路损耗低，系统效率必然提高。各个负载所需要的电源就地产生，负载与电源距离近，减少了线路阻抗对调整性能的影响，也减少了干扰信号对负载的影响，因而输出电压稳定性较好。
  (4)电磁兼容性能优越  由于电源比较分散，抑制电磁干扰的方案比较容易实现。例如，大电流与小电流负载隔离，大电流波动不会影响小电流电源，并且可利用系统的控制功能，使几个功率较大的负载分时启动，减少系统大电流的冲击。
  (二)分布式电源系统的缺点
  尽管分布式电源系统有上述诸多优点，仍然有它的不足之处：
  (1)系统设计比较繁琐  分布式系统需要多级变换，前级与后级之间电压、电流匹配，同一级各变换模块之间电流均衡等都要仔细核算。随着系统变换级的增多，电源系统管理任务增大。例如，电源时序管理、故障检测等。
  (2)材料费用高因为每一个转换级都是一个完整的变换模块，电源系统的材料费用必然会高些。但是从整个系统整体费用来看，分布式电源也许比集中式电源要便宜得多。例如，从维修费用去看，集中式电源比分布式电源要高。因为集中式电源发生故障时，整个电源都要更换，而分布式电源只要更换部分模块；集中式电源发生故障时，整个系统要停机，分布式电源需要停机可能性小，停机损失费用集中式电源要高些；另外，集中式电源一般平均无故障时间(MTBF)为100000h，而高密度模块电源一般为1000000h，显然集中式电源附加维修费用高。
  三、分布式电源设计注意事项
  (1)尽量减少电源种类  电源系统设计时，首先要满足电子系统对电源的各种功能和技术条件的要求；其次要考虑电源系统的管理和维护方便，尽量合并性能相近的电源。
  (2)尽量减少功率变换模块输入电压与输出电压之间的压差  减少功率变换模块的压差，不仅会提高电源的效率，也会减少电源的造价。例如，开关型变换器中的压差减少将会降低对电源中各种元器件的要求，电源的造价必然会减少。对线性模块来说，减少压差必然会使调整元器件的功耗降低，从而提高电源效率。
  (3)要留有一定的余量  所谓余量实际上就是降额使用。现代电子系统中，数字电路占有很大的份额，而数字电路中的电压电流都是脉冲波形，虽然平均功率不是很大，但瞬时功率的数值很可观，没有功率余量的电源很可能使整个电子系统崩溃。
  (4)尽量采用按功能分布式方案  根据电子系统中的各种功能部件分别设计稳压电路。例如，数字电路、模拟电路、大功率输出电路应采取分别供电的方式，尽量减少这些电源之间的相互影响。
      (5)尽量减少负载与电源之间的距离负载与电源之间的距离缩短，一方面可以降低电源系统的造价，另一方面可提高电源系统的抗干扰度和可靠性。