组合式小型模块电源技术研究

组合式小型模块电源技术研究

陈磊,高迪雅,白昕,刘怡宁,张雨辰,董雪

（重庆涪陵电力实业股份有限公司，重庆， 408000）

摘要：现如今，随着我国信息技术领域的飞速发展，模块电源的应用趋势越发广泛，此类模块电源结构设计简单，开发周期相对较短且应用广泛，如航空航天领域、信息技术及自动化控制领域。当前我国5G技术飞速发展，各地区广泛建设5G基站，但是受到基站工作环境温度的变化影响，其电源问题始终是5G基站电源设计的核心难题之一，针对于此，本文结合实际案例分析与探讨组合式小型模块电源技术，以期为我国模块电源研发与设计领域提供重要设计思路。

关键词：组合式；小型；模块电源；5G基站

引言：在新时代发展背景下，我国5G技术飞速发展，并广泛应用5G基站，切实提升了不同地区信息通讯畅通水平，但是在基站运转过程中，其内部工作环境温度变化相对较大，导致基站电源受到输出功率等不同因素的影响与制约，如何保障电源模块的稳定输出和成本合理性成为重中之重。基于此，本文提出异构多路输入多路输出的电源方案，希望通过此类组合式小型模块电源技术研究为模块电源技术研发提供参考。

1 模块电源的特点

近年来，我国不同行业领域对于模块电源的应用越发广泛，此类模块电源主要指的是以最佳电路组合形式和先进制造工艺共同搭建实现的结构紧凑、体积小、质量水平高的线性或开关型稳压电源。此类模块电源在设计结构方面相对简单，只需要配置电源模块、结合离散组件即可，往往可以结合客户需求进行产品优化设计，甚至可以通过不同组件的转换进而得到新型电源模块。在针对现有电源模块进行输入输出方式选择等方面，可以开展重复或交叉叠加手段，实现多通道和异构多路输入多路输出形式，极大减少了电源模块的开发周期[1]。与此同时，电源模块在具体组建和高集成功率模块等方面，往往可以实现标准化设置和配备，相关技术水平要求较低，且在应用过程中可以实现自动化生产，生产质量趋于稳定，可行性和可应用性强。电源模块的外形需要配置散热器，实现模块之间的冷却，加速电源模块应用期间热量散发，保障电源模块应用期间的安全性效果。正因如此，电源模块被广泛应用于我国船舶配电、仪器仪表、航空航天、自动化控制等多个行业领域之中，电源模块进一步强化了应用适配性需求和节能需求。

2 组合式小型模块电源技术案例分析

为深入探究组式小型模块电源技术的设计要素和相关应用水平，本文提出了异构MIMO电源，该电源彻底打破了以往一体化能源柜所应用的“刀片电源与备用电池”结合模式。

2.1 技术研究背景

当前我国5G网络飞速发展，为了进一步保障客户需求与业务需要，要全面构建5G基础设施平台，其中5G基站的覆盖率大幅度增长，其覆盖程度与频率成反向变动关系。为充分满足5G通信需求，5G基站数量需要进一步增多，但是5G的功耗相比于以往4G时代同样实现了大幅度增长，当前5G网络时代中，一站多频是相对典型的配置模式，但是此种设计方法往往会导致5G基站最大功率远远超过10KW，如果结合多运营商进行共享，其具体功耗仍需翻倍，因此为满足网络容量增长需求，需要合理规划5G基站的市电扩容改造。以往通信基站中会应用直流电源系统或小型化电源设备，但是随着通信基站的运行，其内部温度会逐渐增加，电子类设备的失效几率呈指数性增长，因此需要进一步降低模块电源运行过程中的发热量，保障电源模块的应有功率和运行稳定性。

2.2 MIMO电源设计

2.2.1 MIMO电源架构设计

如图1，MIMO电源采用模块化设计，交流输入电源模块、直流输入电源模块等均为模块化通过模块背部的接口连接到插框上，用于满足原有通信设备中模块电源对能源供给的需求，同时MIMO电源系统可配置新能源接入模块将新能源（太阳能）转换为电能进行有效使用。

图 1 MIMO电源系统整体方案

2.2.2 电源选型

解决的热的方法要从两个方面着手：一是减少热源，即减少器件的发热，提高器件的工作效率，通过提高模块效率，降低各功率器件的损耗降低器件发热量；另一个就是减少热阻，即提高各种结构散热的功效。根据传热学原理分析模块中的热源的散热路径，然后在分路径逐步解决每条散热路径的热阻问题。考虑到电源模块选型后器件、PCB板和内部结构均已定型。

DC/DC变换电路方面，稳压电源利用无源的电容元件以及磁性元器件，将输入的电能通过电场或磁场的形式进行存储，再向负载提供直流电，实现DC/DC变换。模块电源选型时应优先选择内部为全桥拓扑结构DC/DC变化电路的模块电源。

并联均流方面，单纯采用单个变换器供电，变换器的工作功率非常大，电流应力也很大，这种功率器稀少且价格昂贵，而且变换器长时间在大电流应力条件下工作，可靠性很难保证。因此在并联系统中采用均流技术，可以使各并联模块之间的电流应力和热应力均匀，避免并联中的单个模块或其中多个模块工作在极限电流状态。因此模块电源选型时应优先选择并联均流电路的模块电源。

平面变压器方面，嵌入式平面变压器的应用有一定的局限性，不如独立式平面器使用广泛，但在主板PCB板的层数与变压器的层数相适应的场合，嵌入式平面变压器在体积和成本上的优势就会变得很突出。模块电源选型时内部变压器选型顺序为：嵌入式>独立式>传统变压器。

2.2.3 电源散热

整个MIMO电源设计采用的方案为，根据实际现场需求采用选型好的电源模块进性多组态（比如220VAC+太阳能､220VDC+太阳能､110VDC+太阳能等）选择性配置，这就决定了整个MIMO电源是由多个刀片电源模块堆叠而成，考虑到每一个刀片电源模块均自带散热的风扇，而且对内部风扇不宜进性改装性调整，因此为了更好的设计后面板（风扇对立面），对后面板的开空位置与大小进行气体流动散热研究。增加进风量可在一定程度上改善换热，但是对测点的热分布规律影响较小。因此可以在后面板设计上将通风孔设计在中下侧，面积尽可能大。其他位置在不影响MIMO电源正常工作的前提下可以进行增加散热孔的设计，不用过多考虑流速带来的影响。

2.3 实验与测试结果

MIMO电源模块可以将直流转换输出为直流53.5-57V，有很好转换效率，选取主配电源模块，分别接入DC110/光伏输入、DC220输入、AC220输入，可以很好的将输入电压转换为48V，在保持稳定输出的同时具有很好的温度适应范围和转换效率。使用时应注意：①使用时输出电流应控制在70A以下；②将环境温度控制在60℃以下保障该模块的稳定运行。

总结：总而言之，信息化时代背景下，模块电源的应用更加适应时代发展需求，智能化时代已经来临，进行电源模块设计与研发时需要进一步探索更高功率密度和更小体积效果，实现在狭小空间范围内的应用；与此同时，多路电源模块在应用过程中散热相对不好，可以针对散热问题进行专项研究，彻底打破散热瓶颈问题。本文从MIMO电源组合式小型电源模块技术研发案例的角度进行探究，以期结合客户需求提供更高效、方便的电源模块，提升我国电源技术应用水平。

参考文献：

[1] 安天平. 分析DC/DC模块电源的研制[J]. 科学与信息化,2019(32):99.

[2] 薛士然. MPS凭借多路电源模块迎接未来挑战[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2023,23(1):93.

作者简介：

陈磊（1979.06.12——），男，汉族，籍贯：安徽合肥，学历：硕士研究生，职称：高级工程师，研究方向：涵盖配电网节能改造等。

高迪雅（1994.12.22——），女，汉族，籍贯：黑龙江绥化，学历：硕士研究生，职称：中级工程师，研究方向：电网节能改造。

白昕（1991.7.5——），男，蒙古族，籍贯：内蒙古通辽市，学历：硕士研究生，职称：中级工程师，研究方向：生物质发电与电网输送。

刘怡宁（1995.07.07——），女，汉族，籍贯：山东，学历：硕士研究生，职称：经济师，研究方向：电网节能规划研究。

张雨辰(1996.05.19——），男，汉族，籍贯：北京，学历：硕士研究生，研究方向：电网节能业务市场开发。

董雪（1994.12.22——），女，蒙古族，籍贯：内蒙古，学历：硕士研究生，职称：政工师，研究方向：金融。