wersja mobilna
Online: 478 Piątek, 2016.12.09

Technika

Zasilanie systemów telekomunikacyjnych napięciami –48V i +24V

wtorek, 21 kwietnia 2009 01:00

W większości systemów telekomunikacyjnych stosowane jest napięcie zasilania –48V, a każde z urządzeń zawiera przetwornice DC-DC redukujące to napięcie do poziomu wymaganego przez układy scalone i inne komponenty. Ponieważ jednak w niektórych zastosowaniach stosuje się napięcie +24V, istnieje zapotrzebowanie na urządzenia kompatybilne z obydwoma wariantami. W niniejszym tekście przedstawiono sposoby zmniejszenia niekorzystnego wpływu dużej szerokości zakresu napięć wejściowych na przetwornice DC-DC.

Rys. 1. Minimalne napięcie wejściowe przetwornicy DC-DCChoć nominalne napięcie zasilania systemu telekomunikacyjnego wynosi –48V, to w praktyce zawiera się w przedziale od –42 do –56V. Przetwornice DC- -DC muszą zatem działać od jeszcze niższego napięcia zasilania ze względu na konieczność uwzględnienia spadków napięcia w urządzeniach. Jak przedstawiono na rys. 1, minimum zwykle wynosi około –38V. Zazwyczaj system jest wyposażony w funkcję monitorowania napięcia wejściowego powodującą wyłączanie przetwornicy DC-DC w przypadku, gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej ustalonej wartości minimalnej. Za maksymalne napięcie przyjmuje się –60V przy uwzględnieniu przepięć do nawet –100V. Co więcej, w niektórych systemach zamiast –48V stosuje się nominalne napięcie –60V. Pomimo że tego typu rozwiązania są stosowane niezbyt często, większość producentów woli wytwarzać jeden typ urządzeń, mogących działać przy –48V i przy –60V. Wiąże się to z podniesieniem maksymalnego napięcia dla przetwornic DC-DC do –72V. Powszechnie dostępne przetwornice są najczęściej przeznaczone do pracy w zakresie napięć wejściowych 2:1, od 36 do 72V (czasem od 36 do 75V).

Systemy o nominalnym napięciu zasilania +24V

Rys. 2. Minimalne napięcie wejściowe w systemie +24VW niektórych zastosowaniach, zwłaszcza w stacjach bazowych telefonii komórkowej, zamiast –48V używa się napięcia zasilającego +24V. Pozwala to na zasilanie wzmacniaczy mocy w.cz. bezpośrednio z akumulatorów, bez przetwornic DC-DC. Taka architektura pozwala uprościć konstrukcję, zwiększyć sprawność energetyczną i zmniejszyć koszty. Zakres napięć wyjściowych dla akumulatora 24V wynosi od 21 do 30V, a minimalne napięcie przetwornicy DC-DC uwzględniające spadki napięcia to około 19V. Jeśli więc przyjąć próg zabezpieczenia przed zbyt niskim napięciem zasilania na poziomie 18,5V ±0,5V, minimalnym napięciem pracy przetwornicy będzie 18V. Większość przetwornic DC-DC dla tego zakresu charakteryzuje się zakresem napięć wejściowych od 18 do 36V. Trzeba tu zwrócić uwagę, że przy +24V spadki napięcia powinny być dwukrotnie mniejsze niż przy –48V (rys. 2). Można to osiągnąć umieszczając zasilacz w urządzeniu i starannie projektując obwody zasilania. Można również pominąć diodę, ponieważ rezerwowe zasilanie nie będzie potrzebne.

Podwojony zakres napięcia zasilania

Rys. 3. System zasilania +24V z przetwornicą wstępnąProducenci urządzeń telekomunikacyjnych przystosowują je do pracy przy obu napięciach zasilania: –48V i +24V. Jednym ze stosowanych rozwiązań są przetwornice DC-DC typu 4:1, pracujące z napięciem wejściowym z zakresu od 18 do 72V. Produkcja takich przetwornic jest jednak trudniejsza, ich parametry są gorsze, a koszt znacznie większy niż w przypadku wersji 2:1. Współczynnik wypełnienia impulsów sterujących stopniem mocy w tego typu przetwornicy musi zmieniać się w zakresie 4:1, co wywołuje silne impulsy prądowe i zmniejsza sprawność. Elementy mocy są narażone na duże prądy i napięcia, co wymusza szereg kompromisów przy ich dobieraniu. Podobne wymagania dotyczą też innych komponentów wejściowych. Bezpieczniki, diody, ograniczniki i filtry muszą być przystosowane do dwukrotnie większego natężenia prądu niż w układach –48V, a równocześnie do napięcia –72V (–100V w szczycie). Również okablowanie musi być przystosowane do zwiększonego natężenia prądu. Dodatkową komplikacją jest biegunowość. Oczywiście daje się zaprojektować układy z opcjonalną biegunowością, ale wymagają one dodatkowych kompromisów i trudniej w ich przypadku spełnić wymagania formalne.

Wstępna przetwornica DC-DC

Rys. 4. Zastosowanie przetwornicy wstępnej w urządzeniu z zasilaniem akumulatorowym +24VRozwiązaniem, które pozwala wyeliminować niekorzystne kompromisy, jest projektowanie urządzeń na napięcie –48V, a w aplikacjach +24V stosowanie wstępnych przetwornic DC-DC. Schematy tego typu układów przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Ich wadą jest nieco mniejsza sprawność wynikająca z podwójnego przetwarzania napięć. Strata sprawności całkowitej jest jednak częściowo rekompensowana zmniejszonym zakresem napięć wejściowych przetwornicy i wynikającą z tego większą sprawnością niż w przypadku zasilania napięciem –48V. Ponieważ wstępna przetwornica DC-DC zapewnia izolację, znikają wszelkie kłopoty związane ze zmianą biegunowości. W systemach –48V wstępne przetwornice DC-DC nie są potrzebne. W rezultacie całkowita sprawność układu zasilania nie zmniejsza się oraz nie zwiększają się koszty. Natomiast stosowanie szerokozakresowych przetwornic DC-DC na każdej płytce wiąże się z pogorszeniem parametrów i zwiększeniem kosztów zarówno w aplikacjach –48V, jak i +24V.

 

 Tabela 1. Zalety i wady poszczególnych rozwiązań zasilania napięciami –48V i +24V
 Rozwiązanie Zalety Wady
 Różne urządzenia na napięcia +24V i –48VOptymalizacja urządzeń dla każdego napięcia osobno
Projektowanie i serwis dwóch osobnych urządzeń dotyczy wszystkich płytek
Szerokozakresowe przetwornice DC-DC na każdej płytceJednakowe moduły dla wszystkich napięć
  • trudne w projektowaniu przetwornice DC-DC: mała liczba dostawców, mniejsza sprawność
  • duże prądy i napięcia w obwodach wejściowych płytek: trudne w projektowaniu ograniczniki napięcia, duże kondensatory wejściowe
  • gorsza ochrona przed zaburzeniami EM
  • konieczność przystosowania do różnych biegunowości
 Przetwornice wstępne dla układów 24V
  • część podstawowa działa w pełnym zakresie
  • układy –48V niezagrożone
  • przetwornice DC-DC na płytkach niezagrożone
  • obwody wejściowe na płytkach niezagrożone
  • niewymagana różnobiegunowość
  • mniejsza sprawność zasilania dla urządzeń +24V

 

Podsumowanie

Stosowanie wstępnych przetwornic DC-DC pozwala w prosty sposób rozwiązać trudności związane z dwoma napięciami zasilania. Umożliwia stosowanie urządzeń o zasilaniu –48V w stacjach zasilanych napięciem +24V, eliminując kłopoty związane z biegunowością. Pozwala to uniknąć konieczności stosowania szerokozakresowych przetwornic DC-DC i zachować dobre parametry obwodów wejściowych. (KKP)