Đang tải... (xem toàn văn)
Đối với điện áp đầu vào Vin và đầu ra Vout, độ lợi điện áp, ký hiệu AV được biểu thị như sau: outVinVAVHình 1.1 Bộ khuếch đại Vì hầu hết các bộ khuếch đại cũng là bộ khuếch đại công suấ
Chương VI KHÁI QUÁT VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN TRONG CÁC HỆ THỐNG THƠNG TIN 6.1 Vị trí tầm quan nguồn cấp điện Nguồn điện (hay lượng điện) đóng vai trị quan trọng ngành kinh kế đời sống người, đặc biệt lĩnh vực thông tin liên lạc, nguồn điện giữ vai trị quan trọng hơn, nguồn điện thơng tin, ảnh hưởng đến ngành kinh tế an ninh quốc gia, trì cấp nguồn điện liên tục cho hệ thống thông tin yêu cầu vô quan trọng Hầu hết thiết bị thông tin sử dụng lượng dòng điện chiều, nguồn điện phải bảo đảm yêu cầu độ ổn định, phạm vi ổn định rộng, độ ổn định cao chất lượng thơng tin tốt, thiết bị làm việc tin cậy thời gian làm việc kéo dài Do đó, tổ chức mạng cấp nguồn cho hệ thống thông tin phải bảo đảm yêu cầu sau: - Cần phải cung cấp công suất liên tục, ổn định với độ tin cậy cao thời gian dài không phụ thuộc vào lưu lượng thông tin - Các thiết bị cấp nguồn phải có khả hoạt động độc lập cao suốt thời gian làm việc điều kiện khó khăn môi trường, thời tiết - Các thiết bị cấp nguồn phải có độ tin cậy cao, lượng dự trữ đủ lớn giám sát hoạt động từ xa - Độ tin cậy tuổi thọ thiết bị cấp nguồn nên tương thích với thiết bị thơng tin Điều có nghĩa nên thiết kế hệ thống cung cấp nguồn cho cố hệ thống nguồn tương hợp với cố thiết bị khác trạm thông tin - Các thiết bị cấp nguồn phải lắp đặt hệ thống bảo vệ cố có độ tin cậy cao, đồng thời hệ thống cấp nguồn phải dễ lắp đặt, bảo dưỡng, thay sửa chữa giá thành hạ Có thể cấp nguồn dòng điện chiều liên tục Nhưng trạm thơng tin thường có máy vi tính, máy điều hoà nhiệt độ yêu cầu khác hầu hết dùng dòng điện xoay chiều, có thiết bị cần dịng điện chiều người ta dùng nắn điện để cung cấp, sau ta nghiên cứu phương thức cấp nguồn 6.2 Các phương thức cấp nguồn cho trạm viễn thông Phương thức cấp nguồn cho trạm viễn thông phải bảo đảm yêu cầu tính liên tục độ ổn định cao, người ta thường dùng hệ thống cấp nguồn tổ hợp, hộ thống cấp nguồn tổ hợp phân làm hai loại, hệ thống cấp nguồn có điện lưới quốc gia hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới quốc gia 6.2.1 Hệ thống cấp nguồn có mạng điện quốc gia Đối với hệ thống thông tin đặt nơi gần với đường dây điện lực phương án tối ưu sử dụng lưới điện quốc gia làm nguồn cung cấp cho hệ thống thơng tin, thời kết hợp với nguồn dự phòng dùng tổ máy nổ phát điện tổ ắc qui, sơ đồ hệ thống cung cấp điện hình 6.1 Hình 6.1 Hệ thống cấp nguồn tổ hợp Hệ thống nhận lượng điện từ nguồn Nguồn điện nguồn lưới điện quốc gia cung cấp, nguồn dự phòng nguồn tổ máy nổ phát điện cung cấp tổ ắc qui Để điều khiển nguồn này, người ta dùng cầu dao hai ngả thiết bị tự động hốn chuyển đóng cắt, đóng cầu dao vị trí I hệ thống nhận lượng điện lưới điện quốc gia, cịn đóng cầu dao vị trí II hộ thống nhận lượng điện máy phát điện cung cấp, nguồn ắc qui cung cấp điện Nguyên tắc chung cài đặt: - Nguồn lượng lưới điện quốc gia cung cấp phải qua máy biến áp máy biến áp thường có điện áp 380/220V, máy biến áp phải có đủ dung lượng để cung cấp cho thiết bị thông tin hoạt động yêu cầu sử dụng khác - Máy phát điện phải có điện áp cấp với điện áp máy biên áp, nghĩa có điện áp phát 380/220V, ngồi máy phát điện phải có đủ công suất cung cấp cho thiết bị thông tin phần cho nhu cầu sử dụng khác, cần phải tính tốn cấn thận, tránh cơng suất lớn gây lãng phí vốn đầu tư - Tổ ắc qui: tổ ắc qui sử dụng để bảo hoàn cảnh lưới điện quốc gia bị điện hệ thống máy nổ phát điện gặp cố khơng phát điện được, tổ ắc qui phái có đủ dung lượng để cung cấp cho tải thời gian định cần thiết cho việc sửa chữa phải 10 6.2.2.Hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới quốc gia Đối với trạm viễn thông đặt nơi khơng có đường dây điện lực qua (như rừng núi, hải đảo) người ta thường tổ chức hệ thống cấp nguồn hình 6.2 Hình 6.2 Hệ thống cấp nguồn khơng có điện lưới quốc gia Hệ thống gồm có máy phát điện sức gió, pin mặt trời tổ máy nổ phát điện, mục đích hệ thống lợi dụng ưu điểm nguồn riêng rẽ để thu hệ thơng có hiệu suất kinh tế có lợi dụng triệt để điều kiện địa lý nơi đặt trạm, bổ sung hỗ trợ cho Sử dụng hệ thống cấp nguồn tổ hợp với khởi động có độ tin cậy cao giảm cơng suất điều chỉnh cần thiết giảm dung lượng ắc qui 6.3 Nguồn cung cấp thiết bị viễn thơng Mức độ tích hợp ngày cao công nghệ bán dẫn mang lại cho phép hệ thống viễn thông ngày kết hợp ngày nhiều chức với kích thước ngày nhỏ Với cấu hình nhỏ gọn đảm bảo tiêu thụ điện hơn, điện áp làm việc thấp silicon chức Các bo mạch PC thường bao gồm IC hoạt động điện áp 5V, 3,3V, 2,5V, 0.8V, v.v Yêu cầu nguồn điện IC hệ nghiêm ngặt mặt điều chỉnh tải, đường dây điện áp tĩnh Trong số trường hợp (ví dụ: trường hợp điều chỉnh thông số kỹ thuật Intel VRM 8.2), điện áp đầu lập trình bus kỹ thuật số cho mức từ 1,8V đến 3,5V với dòng tải từ 30A trở lên Công nghệ cung cấp điện nói chung chưa theo kịp xu hướng này, cơng nghệ bán dẫn cho phép tích hợp cao hơn, lắp ráp bo mạch tự động hoàn chỉnh khoảng cách bo mạch nhỏ Ngoại trừ số trường hợp hoi, nguồn điện lắp ráp tự động Hầu hết có tản nhiệt lớn để quản lý nhiệt buộc phải lắp ráp thủ công Đối với phần lớn hệ thống viễn thông, kỹ thuật làm mát thông thường buộc phải tăng kích thước tản nhiệt Bề mặt tản nhiệt yêu cầu liên quan trực tiếp đến hiệu suất cung cấp điện (Hình 6.3) Do đó, điện áp nguồn (3V trở xuống) có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước tản nhiệt Hãy xem xét chuyển đổi thuận, minh họa Hình 6.3, hoạt động công suất 100W: - Với đầu 5V: P LOSS = 100(P OUT /eff.) - P OUT = 100×(100/83) - 100 = 20,5W - Với đầu 3V: P LOSS = 100× (100/70) - 100 = 42,9W Hình 6.3 Đối với chuyển đổi DC-DC, hoạt động điện áp thấp gây ảnh hưởng đến hiệu suất Việc chuyển điện áp nguồn từ 5V xuống 3V làm tăng công suất tiêu tán từ 20,5W lên 42,9W, tạo thêm 22,4W công suất tiêu tán phải tính đến thiết kế nhiệt Vấn đề việc tiêu hao điện gia tăng nhiệt độ bên trong, làm giảm tất thành phần MTBF Do đó, việc thu hẹp kích thước chi phí chế tạo vi mạch có tác động ngược lại đến nguồn điện liên quan, trừ xem xét kiến trúc hoàn toàn để quản lý nguồn điện Đối với hệ thống viễn thông đơn giản, giảm thiểu đến mức tối thiểu để dễ hiểu (Hình 6.4), xem xét ba phương pháp khả thi để cung cấp điện Hệ thống bao gồm bảng giao diện cáp quang xử lý tốc độ liệu cao (như cáp quang STM-1), bảng nối đa bao gồm chức phụ trợ quản lý hệ thống, tối đa 10 thẻ đường truyền, thẻ có tốc độ liệu thấp giao diện ISDN'U', POTS, E1/T1 Các tải yêu cầu nhiều đầu có nguồn gốc từ -48V danh nghĩa, có pin dự phịng, có sẵn phạm vi -42V đến -60V -36V đến -76V Cách ly điện từ pin bắt buộc Hình 6.4 Các thành phần tạo nên hệ thống viễn thông đơn giản Đầu tiên, giao diện cần nhân với 10 để chứa tối đa 10 bo mạch hệ thống Tổng cơng suất cần thiết 230W, chia cho năm điện áp đầu điều chỉnh cố định cộng với điện áp biến đổi lập trình bus bit Dung sai tối đa đầu thay đổi 1%, bao gồm điều chỉnh đường truyền tải Ba kiến trúc phân phối điện xem xét nguồn cung cấp tập trung, nguồn cung cấp phân tán cách ly đầu tập trung với đầu phân phối không cách ly phụ trợ 6.3.1 Cung cấp điện tập trung Thiết bị tạo tất điện áp cần thiết dạng đầu thứ cấp cách ly với điện áp pin Ở mức công suất đầu cần thiết cho ví dụ (230W), ví dụ cấu hình điển hình nửa cầu với vịng điều khiển đóng đầu 3,3V Các đầu khác phải điều chỉnh sau để tuân thủ yêu cầu dung sai chặt chẽ Các điều chỉnh sau loại tuyến tính loại chuyển mạch, loại độc lập với loại khác điều khiển nhiều máy biến áp thứ cấp có cuộn cảm đầu ghép nối (Hình 6.5) Hình 6.5 Nguồn cung cấp nhiều đầu ra, nguồn thứ cấp có kỹ thuật khác Cách tiếp cận có số nhược điểm: Khó sản xuất thành phần từ tính thiết kế tùy chỉnh, phần tử ký sinh có tác động đáng kể đến hiệu suất hiệu suất hệ thống thấp Lưu ý điện áp đầu thấp gây hiệu suất thấp hơn, tổn thất biểu thị điốt chỉnh lưu điều chỉnh tuyến tính (thậm chí loại LDO) chiếm tỷ lệ phần trăm lớn đầu Xét phân tích đơn giản đầu 1,5V (Hình 6.6) Giả sử chu kỳ làm việc dòng điện 50% dòng điện điốt chỉnh lưu IOUT , tổn hao cuộn cảm liên quan đến điện trở không liên quan đến hiệu ứng từ vật liệu lõi, tần số chuyển mạch, v.v Vì lý tương tự, bỏ qua tổn thất ESR tụ điện: P OUT = I OUT V OUT = 10(1.5) = 15W PL = I OUT V OUT RL = 10(10)(0,01) = 1W PD1 + D2 = VD(I OUT ) = 10(0.4) = 4W PL LDO = I OUT V LDO = 10(0,6) = 6W Hiệu suất = P OUT /(PL + PD1 + PD2 + PL LDO + P OUT ) = 15 / (1+ + + 15) = 58% Hình 6.6 Do tổn thất cố định, điện áp đầu thấp có nghĩa hiệu suất thấp nguồn cung cấp điều chỉnh tuyến tính Do đó, với watt cung cấp cho tải, mạch 0,7W dạng nhiệt năng, cách sử dụng lượng hấp dẫn Thú vị hệ thống dựa việc chuyển đổi điều chỉnh sau (Hình 6.7) Hình 6.7 Các điều chỉnh chế độ chuyển đổi (so với loại tuyến tính) mang lại hiệu suất cao với độ phức tạp độ ồn cao Đầu 5V Hình 6.7 điều chỉnh ghép quang phản hồi tất đầu khác điều chỉnh IC chẳng hạn loại step-down đồng ( MAX1630 , MAX1637 , MAX1652 MAX1638 ) loại nghịch đảo MAX774 cho điện áp đầu âm Sử dụng thành phần từ tính tiêu chuẩn "có sẵn" từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, đầu 1,5V tạo điều chỉnh giảm áp đồng đạt hiệu suất 87%, so với 58% phương pháp điều chỉnh tuyến tính