在广播设备中,由电源设计问题而引起的系统崩溃类型有两种:第一种是设备停止大部分或者全部的操作,或者广播的主通道出错;第二种是设备只影响到小部分的操作而且出错不是发生在广播通道中。如果是属于第一种情况的话就需要特别考虑系统电源的设计。
冗余
基础电源冗余在多年前已经被应用到支持多于一个输出信号的设备中,如矩阵切换器和分布式功放机箱。在不同的层中都提供了不同的冗余设计,有些设备通过单一的电源卡提供两路电源,有些设备则由单一后备电源来实现多电源,这称为多对一冗余。以上两种方法都可以防止单一电源引起的出错,第一种方法容易受到单一交流回路中断器出错的影响,受供电电源的数量和电源卡的容量的限制,多对一的方法可能也会受单一电流回路中断器出错的影响。
当为每个电源都配备一个冗余电源时,系统的冗余性就更具鲁棒性,这称为一对一冗余。在这种系统中每个电源有它自己的独立的电源卡,这样后备电源就可以由不同的交流回路来供电,用不同相位的交流电给一组后备电源充电比只用主电源充电显得更加有用。
电源的仔细涂料提供了下一层次的冗余。在某些设计中,大功率电源用来给整个甚至一组来自单一电源的系统供电并作为后备冗余。这种方法存在两种危险:一种是单一电源的出错将清除系统所有的冗余;第二种是来自这种大功率电源的可用输出电流能导致连接器的损坏和回路跟踪的短路。一种更具弹性的设计方法就是给每个系统提供多个较小的电源,每个都有它自己的后备电源,这样,单一电源的出错只会影响系统的一部分,如果一个电源和它的后备电源都坏了,另一个后备电源可以马上被移插到出错的部分来实现服务的快速恢复。
最后一层的冗余可以通过二级电源的细心分配在设计举例的最后极端才实现,一个很好的例子就是从供电电源的不同部分来给冗余控制卡充电,这样,如果整个部分坏了,只需卸下一块控制板,用后备电源来代替出错的部分,就可以保证系统的完全恢复。
可靠性
冗余性大大的提高了系统的可靠性,但是电源本身的可靠性是同样重要的,大多数的可拔插电源在设计时都首先考虑经济性,这种设计方法会相应的削弱了电源的可靠性,现在有很多的设计方法可以更好的保证电源的可靠性。事实上,可靠性是很多因素的一个综合,只把焦点放在电源的可靠性上是不能保证系统的可靠性的,必须对整个系统的设计进行更高层的考虑。以下几个段落指出了一些能提高系统可靠性的方面。
效率
衡量整个供电系统的质量的一个重要的指标就是效率,以效率为首要考虑条件而设计的电源比只考虑价格而设计的电源更具可靠性,而令人惊喜的就是这种电源的最终价格只是稍微贵点甚至有可能更便宜,这部分是通过降低系统的冷却价格来实现的。长期来说,高效率是很重要的,因为核心系统使用大量的电源并将会继续使用下去。这里以一个在回路板层需要1000瓦的系统为例,如果整个供电系统的效率是90%的话,输入电源就需要1111瓦,如果效率是60%的话,则需1667瓦,这样每年就浪费了4870千瓦时的电量,这还没有加空调的费用。
功率因数和波形扭曲
另一个总要的考虑因素,尤其是对大型的系统来说,就是电源承载交流回路的方式。过去,大多数的电源都是设计在150V或这220/440V电压上工作的,这些电源含有一个简单的电容输入滤波器,它可以在电压加倍器和桥整流器之间切换来适应两种电压的情况,这在一个小的供电系统中上能工作的,但是在大型供电系统中,在交流线上的波形扭曲相当严重,与抵抗性加载相比,这需要更大的分支回路配线和更大的非中断电源系统(UPS,Uninterruptible Power System)。现在功率因素修正电路(PFC,Power Factor Correction)允许从90V到260V或者更高的没有电压选择切换要求的操作,这样就把一个本质上抵抗电路加载到交流回路。PFC回路提供的另外一个机会就是最小化启动振动的能力,这样就降低了依赖性操作对UPS大小的要求。
共享
在冗余电源设计中的最后一个重要因素就是认真考虑加载共享,典型的可拔插电源是为提供紧密规划输出而设计的,当两个电源通过共享二极管并行连接是,紧密规划输出将导致共享错误。不同的电压同时加到不同的二极管上将导致一个电源给负载输入了更多的电流,这样使得有增加电流的二极管比相邻的二极管更热,这就更大的限制了它的压降,结果就是一个电源给负载提供了大多数甚至所有的电流。在某些情况下,这可以高效的关闭其他电源,其后果是如果第一个电源不能工作时,将不会及时响应,这虽然可以通过增加更复杂的外部共享电路来减弱它的影响,但也增加了系统每一部分的复杂性,而系统最好的可靠性是要求系统越简单越好的。
设计含有高输出电阻的单个电源是另外一个更有效的解决方法,这样二极管的负温度系数就不会引起共享问题,电源就能被很好的平稳共享,因而每个电源在正常操作下就可以达到半负载,从而减少了其他组成部分的压力和分散热量负荷,从而使得电源的寿命更长。
小结
应用在广播设施中的中央核心系统在中央银行系统和空间发射系统中都得到很好的应用,因为它可以很好的满足系统稳定性的要求。用空间领域的语言来说就是每个系统都承担重要的使命。为了实现系统可靠性的目标,经过严谨认真设计和使用冗余策略的具有鲁棒性的电源对于这些系统来说都是必须的。