通信基站的设计

bombhuang

摘要：首先介绍了基站设备对电源的需求，接着介绍了常用的几种供电方案，最后简介了中兴通讯设计的ZXUPS L系列电源产品。

关键词：基站设备、太阳能、直流远供、UPS

一 基站设备对电源的需求

　　随着通信的发展和完善，无线市话大基站、移动边际网的微蜂窝基站、CDMA的微基站、直放站等设备已经规模使用。这些基站设备一般应用在日晒雨淋的户外，并安装于楼顶或电线杆上或山头上等室外供电质量特别差甚至没有市电的地方。同时，电网中存在电涌、高压尖峰、电压下陷、EMI（Electro Magnetic Interference）、频率偏移、市电中断等问题。用户对其网络的安全性、可靠性提出越来越高的要求，而高质量的供电是网络通信设备可靠工作的关键。

　　基站的供电方式一般分2种：一种是48VDC直流远程馈电，适合耗电量小的小基站；另一种是对于耗电量大的基站则采用220VAC交流就地供电。而对于交流输入的基站设备，里面的开关电源有2种，一种无APFC(Active Power Factor Correction)，该方式可靠性高且成本低，但是稳压精度稍差并对电网有一定的谐波电流污染；一种是有APFC，有APFC电路的开关电源有更好的电网低压适用能力，甚至可以达到以美国为主110V电网和以欧洲、中国为主的220V电网兼容，但是对方波输入电压不合适。基站设备故障大部分是基站内电源问题，所以保证基站设备不因市电停电而间断、不因电源影响而故障成为运营商和主设备商必须考虑的问题。

二 太阳能供电方案

　　依靠太阳能光电板产生的能量对负载供电，电池直接供电或逆变为交流电提供工作电源，完全脱离市电局限，供电能量自给自足，具有安装地点灵活可变、绿色能源的特点。

　　太阳能系统主要由太阳电池、蓄电池、控制器、逆变器、负载组成。

　　太阳能电池不是一般意义的电池，而是一种“光电装置”，本身不能储能，需要蓄电池等其他设备配合。太阳能方案最大的好处是可以摆脱市电的局限，缺陷是初次投资大；太阳光能量密度较低，占地面积大；存在因昼夜、季节不同间歇性大；区域性强。因此，该方案在有市电的地方一般很少采用。

三 直流远供方案

　　受市电供电影响，有人提出采用直流远供方案。对于无线市话PHS系统，基站CS是由基站控制器CSC控制的。基站控制器CSC里有48VDC直流电源，CS到CSC的距离不能超过4km。

　　如果采用48VDC单独供电而不用220VAC是否可行？目前大基站的消耗功率是100W左右,折算为电流是100W/48V＝2A，线的电阻情况是：对于1.0mm2 是20Ω/km,如果最远处考虑4km太远，但是1km总是可能的，单独采用比较粗的线，1.0mm2是20Ω/k m×2 （来回形成回路）＝40Ω，则压降40Ω×2A=80V。

　　若采用2.5mm2的线则电阻是8Ω/km，如果最远处1km，则压降16×2A=36V，到基站只有12VDC，不能接受。况且2km长2.5mm2导线的成本和布线工程等费用用户也将难以承受。

　　采用高压直流远供方案：在CSC处将48VDC升压到200～300VDC左右，采用双绞线进行电力传输到基站CS处，对于功耗比较小（功耗50W以下）的基站，这倒是一个可以考虑的方案。但是以下几个问题需要考虑：

　　● 对线路环路电阻有不能超过一定值的要求。

　　● 直流高压容易造成人身触电安全事故。

　　● 传输信号用的双绞线用于高压直流，需要考虑绝缘耐压是否足够。

　　● 双绞线线经是0.5mm，甚至更小，不只是需要考虑通过电流时发热，更要考虑其机械强度。

　　● 室外用端子板由于高压直流，在室外潮湿和盐雾等条件下，极易高压打火，故端子间需要足够距离和绝缘处理。

　　● 线路复用尽管可以减少U口的开销，但是可能存在干扰以及需要调制解调。

　　● 长距离传输电力需要加倍考虑防雷。

四 UPS供电方案

　　1.电路拓扑的考虑

　　UPS根据电路拓扑结构不同，分为后备式、在线互动式、双变换式。

　　后备式(standby)的工作原理是：当市电正常时，UPS输出电压稳压精度基本能达到10％的指标。而10％的指标对于基站开关电源来说，是完全可以接受的。当市电超出范围时，由电池逆变成方波交流电给基站负载。因为该种UPS控制电路简单并且功率器件工作在低压状态（电池电压一般为12V），符合“越简单越可靠”原理，技术也很成熟，因此理论上该种UPS应该可靠性很高。不足是逆变时输出是方波，不能带具有APFC开关电源的基站负载（但是绝大部分基站内电源没有APFC）。

　　在线互动式(line-interactive)：与后备式一样，当市电正常时，UPS输出电压稳压精度基本能达到10％的指标。当市电超出范围时，电池逆变为220V交流给基站负载供电。不同的是，这个逆变输出波形已经是正弦波，即使是有APFC开关电源的基站，UPS也可以正常工作。在线互动式不足主要是交流工作时稳压精度一般是10％，偏大。

　　双变换式(double conversion)：所谓双变换，是指交流经过AC/DC整流成直流再经过逆变器DC/AC变换成交流给负载，因为经过了中间直流环节，所以更全面地解决电源问题。双变换在线式分工频机和高频机。只有旁路也电气隔离的工频机，才能有效抑制输入的共模干扰，才能保证基站要求交流电压的零地电压低于1Vac。高频机是指整流和逆变采用高频链技术而不含工频变压器的UPS，高频机的输入输出不是电气隔离的。如果要求输入输出电气隔离，一般在输入采用一个工频隔离变压器可以达到输出零地电压为零的要求。

　　高频机中母线电压高达760～800VDC，给绝缘带来很大隐患。母线电压是一般工频机的母线电压的十倍，按照P=U2/R公式，在绝缘电阻相同时，则功率是100倍！也就是危险性增加100倍！所以当高频机用于室外时一定要重点考虑机器内部的绝缘。

　　2.蓄电池

　　室外UPS中电池的容量和寿命与温度关系很大。低温时特别在东北高寒地区，如需要充分利用蓄电池的容量，必须提高电池的外壳温度。

　　高温南方环境，需要降低电池温度。一般12V的电池在20℃～25℃的环境下，寿命为3到5年，而在室外的高温恶劣环境下，则寿命大为下降。

　　为此，有人建议将电池埋入地下恒温。但埋入地下存在不能透气和容易浸水的危险，不符合电池厂家建议“电池安装在通风良好的地方”的要求。一旦浸水则电池很快报废，维修更换时还得掘地三尺。另外对于安置在高楼房顶上的UPS，一般没有供埋电池的地方，或从地下到房顶的电池线过长，UPS不能承受其线上压降。ZXUPS L系列采用内外箱结构，有加热板可选。

　　3. UPS冷却方式

　　UPS变换时会产生热量，散热方式一般有2种，风冷或自然冷却，风冷可使机器小巧，自冷笨重。但是风冷存在吸附尘埃多的缺陷，尘埃一多，势必影响绝缘。因此UPS一定要有防尘考虑。

　　4．整机结构防护

　　IP防护等级系统是由IEC（国际电工委员会）起草的，我国等效标准是GB 4208-1993 《外壳防护等级（IP代码）》。将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。IPxx防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级，以免触电；第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。如IP54中的“5”表示防尘，虽不能完全防止灰尘进入，但侵入的灰尘量并不会影响电器的正常工作，其中“4”防止飞溅的水侵入，防止各方向飞溅而来的水进入电器造成损害。

　　5. 印制板及结构件的三防处理

　　印制板及结构件进行三防（防盐雾、防潮湿、防霉菌）处理，将提高室外UPS的可靠性和使用寿命。有测试条件的用户，选型时可以通过高温高湿试验来验证。中兴ZXUPS L系列室外型产品，除了通过“额定负载，烘房温度：60±2℃，湿度：93%-95%，运行时间24h，运行12h后将中断市电4小时再接入市电。UPS正常运行24小时”的要求外，还通过了军标GJB150.11的有关防盐雾的规定。

　　6．监控功能

　　中兴ZXUPS L系列可以提供RS232/RS485及继电器的干接点通信功能，具体需要哪种功能，根据基站设备商的要求来定，但是建议考虑室外接线和防雷的限制，采用继电器干接点基本可以。继电器干接点主要提供市电正常与否、电池是否正常、UPS故障与否等信号。

　　7．二次下电功能

　　UPS中的电池容量是有限的，但是UPS的负载有一些更重要，如基站系统中，传输设备因牵系到上下(下转第21页)(上接第15页)站问题而显得更重要，需要在停电后支持更长的时间。中兴ZXUPS L010/L110等输出端有主、辅两个输出口，UPS对电池电压和市电信号进行检测，当检测到市电掉电和电池电压低于某值时，关闭辅输出口供电，主输出口仍然供电直至电池放电终止时UPS保护关机。

　　8. 来电自启动

　　因为基站设备都是无人值守，UPS需要有来电自启动功能。就是在市电停电后由电池供电，当电池放电至终止关机后，市电再来，UPS应自启动，不需人工干涉。中兴ZXUPS L系列都具有来电自启动功能。

五 中兴ZXUPS L系列简介

　　中兴通讯集多年基站设备供电解决方案经验，针对几种基站设备对电源的不同要求，为PHS大基站设计了ZXUPS L005、L006系列产品，输出功率有150、300VA；为GSM边际网微蜂窝基站/CDMA基站和直放站/3G基站设计了ZXUPS L010/L110/L120/130系列产品，输出功率为1000、2000、3000VA。所有ZXUPS L系列支持时间从1～24小时不等；采用可靠电路拓扑，可靠性高；采用防雨、防水、防盐雾、防霉菌、防盗、防尘设计；工作环境温度范围达-40℃～50℃；交流市电输入范围宽，具有市电稳压、自动保护及自启动功能；二次下电（部分机型有）；具有监控功能。大批量室外型ZXUPS已经经受了几年网上运行的考验，有效地保护了通信的不间断和基站的安全。