整合式通信电源系统的制作方法

1.本发明是有关一整合式通信电源系统，特别涉及一种应用于5g通信设备的整合式通信电源系统。


背景技术：

2.由于通信技术越来越发达，目前已由4g的通信架构逐渐的发展至5g的通信架构。随着5g及未来智慧网络发展的应用，通信的电源供电系统若是由4g的系统升级至5g的系统，功耗将大幅的增加。在绿能产业尚未蓬勃发展之前，输入端多以市电为主，且在市电中断时用发电机来备用或者输出端用电池来备用。
3.但目前在现行既有的电源供电系统，如要扩展输出功率容量，除了要看电源模块是否需要增加外，还需看市电的功率是否有被限制。随着全球绿能产业的发展，太阳能电池与风力发电量持续上升，太阳能电池的价格也持续下降，已具有吸引力被运用在电源供电系统的应用，特别是有利于5g的电源供电系统的系统架构。虽然如此，但此应用除了需要场地建置与购太阳能电池(pv panel)外，还需购入光伏充电器(pv charger；pvc)，这会增加资本支出(capex)的投入。
4.除此之外，电源供电系统的塔下(在此指电塔)基站输出端至塔上的有源天线处理单元/远端射频单元(aau/rru)负载之间有一定的距离，这段距离会带来一定的电力线传输的功率损耗(即线损)。在5g及未来的电源供电系统应用上，由于塔上设备功率的增加，如在不增加电力线容量的条件下，这部分在电力线的线损会比以前上升很多。如何降低此部分的损耗，也是一项刻不容缓的议题。
5.所以，如何设计一种整合式通信电源系统，根据直流、交流及再生能源等多种输入电压切换相应的模式，以降低投资的资本支出并使其具有更弹性的应用，乃为本公开发明人所欲行研究的一大课题。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明是提供一种整合式通信电源系统，以克服现有技术的问题。因此，本发明整合式通信电源系统是对通信设备供电，且通信设备包括基站模块与天线处理模块。整合式通信电源系统包括至少一第一切换开关、至少一第一整合式转换模块、直流转换模块及储能模块。至少一第一切换开关包括输出端与至少两个输入端，其中一输入端耦接再生能源，其余的对应地耦接输入源，且至少一第一切换开关用以选择性地切换至少两个输入端的其中一者耦接输出端，以提供输入电压。至少一第一整合式转换模块耦接至少一第一切换开关的输出端，且将输入电压转换为直流电压。直流转换模块耦接至少一第一整合式转换模块与电力线，且用以根据直流电压提供输出电压且经由电力线对天线处理模块供电。储能模块耦接直流转换模块，且用以接收由至少一第一整合式转换模块或直流转换模块所提供的储能电压，以对基站模块备援供电。其中，至少一第一整合式转换模块包括用以检测输入电压的输入电压检测单元，以根据输入电压选择性地切换至少一第一
整合式转换模块工作于交流-直流模式、直流-直流模式或最大功率点追踪模式。
7.本发明的主要目的及技术效果在于，利用整合式转换模块可根据输入电压切换为交流-直流模式、直流-直流模式及最大功率点追踪模式，以降低投资的资本支出并使整合式通信电源系统具有更弹性的应用的技术效果。
8.为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
9.图1为本发明整合式通信电源系统的系统架构图；
10.图2a为本发明直流转换模块的第一实施例方块构图；
11.图2b为本发明直流转换模块的第二实施例方块构图；
12.图2c为本发明直流转换模块的第三实施例方块构图；
13.图2d为本发明直流转换模块的第四实施例方块构图；
14.图3a为本发明整合式通信电源系统的第一变形实施例架构图；
15.图3b为本发明整合式通信电源系统的第二变形实施例架构图；
16.图3c为本发明整合式通信电源系统的第三变形实施例架构图；及
17.图3d为本发明整合式通信电源系统的第四变形实施例架构图。
18.附图标记说明：
19.100
…
整合式通信电源系统
20.100-1
…
机房
[0021]1…
切换开关
[0022]
1-1
…
输入端
[0023]
1-2
…
输出端
[0024]2…
第一整合式转换模块
[0025]
22
…
电压检测单元
[0026]
3、3-1、3-2
…
直流转换模块
[0027]
32、32-a、32-b、32-c
…
直流转换器
[0028]
32-1
…
第一端
[0029]
32-2
…
第二端
[0030]
34
…
旁路开关
[0031]4…
储能模块
[0032]5…
第三整合式转换模块
[0033]6…
第二整合式转换模块
[0034]7…
第四整合式转换模块
[0035]8…
第二切换开关
[0036]
8-1
…
输入端
[0037]
8-2
…
输出端
[0038]9…
第五整合式转换模块
2，以将所接收的输入电压vin由输入端1-1提供至输出端1-2。假设输入端1-1为两个的情况，其中一输入端耦接再生能源300-4，另一个可耦接任意的供电设备(图未示)作为输入源。第一整合式转换模块2耦接切换开关1的输出端1-2，且将输入电压vin转换为直流电压vdc。第一整合式转换模块2为整合式的转换模块，无论输入端所接收的为直流的输入电压vin、交流的输入电压vin，皆可将其转换为直流电压vdc。其中，第一整合式转换模块2包括用以检测输入电压vin的输入电压检测单元22，以根据输入电压vin选择性地切换第一整合式转换模块2工作于交流-直流模式、直流-直流模式或最大功率点追踪模式，输入电压检测单元22位于第一整合式转换模块2的外面仅为了方便示意，实际上可设置于第一整合式转换模块2之内。
[0064]
具体而言，当电力由市电300-1或发电机300-2供应时，切换开关1将耦接市电300-1(或发电机300-2)的输入端1-1切换耦接输出端1-2，且第一整合式转换模块2通过电压检测单元22得知输入电压vin由市电300-1(或发电机300-2)供应，因此第一整合式转换模块2切换为交流-直流模式将交流的输入电压vin转换为直流的直流电压vdc。依此类推，当电力由电池300-3供应时，第一整合式转换模块2通过电压检测单元22得知输入电压vin由电池300-3供应，因此第一整合式转换模块2切换为直流-直流模式将直流的输入电压vin转换为直流的直流电压vdc。当电力由再生能源300-4供应时，第一整合式转换模块2通过电压检测单元22得知输入电压vin由再生能源300-4供应，因此第一整合式转换模块2切换为最大功率点追踪模式而将直流的输入电压vin转换为直流的直流电压vdc。其中，最大功率点追踪模式主要是控制直流-直流转换电路进行最大功率点追踪，以根据再生能源300-4所提供的输入电压vin而获得最大功率。因此，当输入源为再生能源300-4时，第一整合式转换模块2即可当作光伏充电器(pv charger；pvc)使用。第一整合式转换模块2可由一般两级式(two-stage)转换器配合控制方法来实现，举例而言，电压检测单元22检测到输入电压vin为交流时，控制第一整合式转换模块2的前级转换器为功率因数校正器，第一整合式转换模块2的后级转换器则将前级转换器的输出转换为适当的直流输出；电压检测单元22检测到输入电压vin为直流时，可以停止控制前级转换器或控制前级转换器升高输出电压；而电压检测单元22检测到输入电压vin随负载变化而判定为再生能源时，则可控制前级转换器进行最大功率点追踪。
[0065]
进一步而言，以再生能源300-4太阳能电池为例，因输入端太阳能电池的场地建置与增加资本支出的投入的问题(如加入太阳能电池与市电300-1一起的应用)，无非是以太阳能电池供电为优先，以利用绿能来降低变电的成本。在太阳能电池供电不足的部分，才由市电300-1提供。所以如果可以整合交流-直流转换模式、直流-直流转换模式及光伏充电器的特性，来成为一个多输入功能应用产品，将可降低投资的资本支出并具有更弹性的应用。
[0066]
直流转换模块3耦接第一整合式转换模块2与电力线l，且用以根据直流电压vdc提供输出电压vo对耦接电力线l另一端的天线处理模块204供电。储能模块4耦接直流转换模块3，且用以接收由第一整合式转换模块2或直流转换模块3所提供的储能电压vb，以对基站模块202备援供电。具体而言，储能模块4例如但不限于可以为用以存储电力的电池。在输入电压vin充足时(例如但不限于使用市电300-1供电)，可先行接收由第一整合式转换模块2或直流转换模块3所提供的储能电压vb而蓄电，同时基站模块202可接收此储能电压vb而运行。在输入电压vin不足时(例如但不限于切换开关1切换时、再生能源300-4供应不足等原
因)，储能模块4可以避免基站模块202电力的中断。
[0067]
请参阅图2a为本发明直流转换模块的第一实施例方块构图，复配合参阅图1。直流转换模块3包括直流转换器32与并联直流转换器32的旁路开关34，且直流转换器32的第一端32-1耦接第一整合式转换模块2。储能模块4与基站模块202耦接直流转换器32的第一端32-1，且直流转换器32的第二端32-2耦接电力线l。在此电路结构中，第一整合式转换模块2所提供的直流电压vdc是对储能模块4与基站模块202供电，因此直流电压vdc即为储能电压vb。在输入电压vin充足时，直流转换模块3将第一整合式转换模块2所提供的直流电压vdc转换为输出电压vo，以对天线处理模块204供电。在输入电压vin不足时，储能模块4可以提供储能电压vb至直流转换器32的第一端32-1，且直流转换器32将储能电压vb转换为输出电压vo，以对天线处理模块204备援供电。
[0068]
直流转换器32可以为单向升压转换器，其主要是用以将直流电压vdc升压为输出电压vo，以避免输出电压vo经过电力线l的线损后的终端电压vt不足，且较高的电压可以降低电力线l的线损。然而，除了考虑电力线l的线损，直流转换器32的转换效率也必须考虑，避免造成整个系统效率下降，所以不能单独只看电力线l传输的线损改善，必须全盘考虑这些参数对整体效率的影响。在不同的负载条件下，会有不一样的调整机制。
[0069]
本公开技术的优点主要会先依据目前整合式通信电源系统100所提供的输出电压vo电平(例如为54v)与当时的输出电流io计算。直流转换模块3计算维持负载端的终端电压vt为特定电压(例如为54v)时，直流转换模块3必须将输出电压vo电平调整的目标电平，并且可以降低多少电力线l的线损。然后，依据直流转换器32的转换效率造成额外的功率损耗，与输出电压vo电平调整后降低的电力线l的线损，两者做比较，判断是要直流转换器32运行，或是旁路开关34导通而旁路(bypass)直流转换器32，以让整个整合式通信电源系统100获得最高效率。
[0070]
具体而言，直流转换器32在负载量不高的情况下，转换效率较差而造成较大的功率损耗，且因为负载量不高，电流相对很小，电力线l上的线损亦不大，可考虑将旁路开关34导通，而节省直流转换器32的损耗。
[0071]
请参阅图2b为本发明直流转换模块的第二实施例方块构图，复配合参阅图1～2a。直流转换模块3-1包括直流转换器32-a与并联直流转换器32-a的旁路开关34，且直流转换器32-a为双向升降压转换器。直流转换器32-a的第一端32-1耦接第一整合式转换模块2与电力线l，且储能模块4与基站模块202耦接直流转换器32-a的第二端32-2。在此电路结构中，第一整合式转换模块2所提供的直流电压vdc是通过电力线l对天线处理模块204供电，因此直流电压vdc即为直流转换模块3-1的输出电压vo。在输入电压vin充足时，直流转换模块3-1将第一整合式转换模块2所提供的直流电压vdc转换为储能电压vb(降压)，以对储能模块4与基站模块202供电。在输入电压vin不足时，储能模块4可以提供储能电压vb至直流转换器32-a的第二端32-2，且直流转换器32-a将储能电压vb转换为输出电压vo(升压)，以对天线处理模块204备援供电。
[0072]
与图2a的实施例相同，可为了让整个整合式通信电源系统100获得最高效率，而选择转换模块3-1的直流转换器32-a运行，或是旁路开关34导通而旁路(bypass)直流转换器32-a。在储能电压vb转换为输出电压vo对天线处理模块204供电时，根据负载决定是否导通旁路开关34。
[0073]
在直流电压vdc转换为储能电压vb对储能模块4供电时，由于并不需要计算线损，因此直流转换模块3-1是依据当前的转换效率所造成的功率损耗而决定是否导通旁路开关34。再参阅图2a，可以看出供应给远端的天线处理模块204的输出电压vo有时需要经过两级的效率转换，基站模块202则只要经过一级效率转换。从整个系统面的整体效率考量，在市电300-1稳定与不稳定的应用区域，系统架构可以有不一样的布置。在市电300-1稳定的区域，储能模块4可以长时间的慢慢充电来达到需求，所以先忽略储能模块4容量需求，如基站模块202的功率需求，大于远端的天线处理模块204的功率需求，可以使用图2a的系统架构来获得整个整合式通信电源系统100的最高效率。反之，如基站模块202的功率需求，小于远端的天线处理模块204的功率需求，可以使用2b的系统架构来获得整个整合式通信电源系统100的最高效率。
[0074]
请参阅图2c为本发明直流转换模块的第三实施例方块构图，复配合参阅图1～2b。本实施例的直流转换模块3-2与图2b实施例的直流转换模块3-1差异在于，整合式通信电源系统100还包括至少一第三整合式转换模块5。第三整合式转换模块5的输入端耦接市电300-1、发电机300-2、电池300-3及再生能源300-4等供电设备(图未示)的其中的一者(简称输入源300)，或耦接切换开关1的输出端1-2，且第三整合式转换模块5的输出端耦接直流转换器32-b的第二端32-2、储能模块4及基站模块202。第三整合式转换模块5用以将市电300-1、发电机300-2、电池300-3或再生能源300-4等供电设备(图未示)所提供的电力作为输入电压vin，且将输入电压vin转换为储能电压vb对储能模块4与基站模块202供电。直流转换器32-b可为单向转换器，第一整合式转换模块2所提供的直流电压vdc是通过电力线l直接对天线处理模块204供电，储能模块4与基站模块202的电力来源则是通过第三整合式转换模块5转换而得。在输入电压vin不足时，储能模块4所存储的电力则可经过直流转换器32-b转换为转换为输出电压vo(升压)，以对天线处理模块204备援供电。
[0075]
图2c的电路架构主要适用于基站模块202的功率需求约等于远端天线处理模块204的功率需求，供应给远端天线处理模块204与基站模块202的电力都只要经过一级效率转换，其应用的效益与效率会较佳。因此，依此电路架构可以获得整个整合式通信电源系统100的最高效率。此外，图2c的电路架构如同图2a与图2b，为了让整个整合式通信电源系统100获得最高效率，而选择直流转换器32-b运行，或是旁路开关34导通而旁路(bypass)直流转换器32-b。
[0076]
请参阅图2d为本发明直流转换模块的第四实施例方块构图，复配合参阅图1～2c。本实施例的直流转换模块3-3与图2c实施例的直流转换模块3-2差异在于，直流转换器32-c整合至第一整合式转换模块2中。如此，即可结合多样输入与多样输出的概念成为一个整合模块，来简化系统配置、降低成本、布建快速、护简单等等的优点，来达到最佳效益与效率的目标。值得一提，图2d未提及的控制方式同于图2c，在此不再加以赘述。此外，于本发明的一实施例中，直流转换模块3(包括图2a～2d)所提供的输出电压vo并不是固定，会随着整个系统的条件，如线损、输出电流io、转换器效率(包括后端耦接的转换器)等，将输出电压vo而做调整。将整个整合式通信电源系统100效率提到最高，降低总体功率损耗。
[0077]
请参阅图3a为本发明整合式通信电源系统的第一变形实施例架构图，复配合参阅图1～2d。整合式通信电源系统100还包括至少一第二整合式转换模块6，第二整合式转换模块6的输入端耦接市电300-1、发电机300-2及电池300-3等供电设备(图未示)的其中的一
者，且输出端耦接直流转换模块3的第一端32-1。第二整合式转换模块6用以将市电300-1、发电机300-2或电池300-3等供电设备(简称输入源300)所提供的电力作为输入电压vin，且将输入电压vin转换为直流电压vdc至直流转换模块3。
[0078]
进一步而言，此电路架构的优点在于，由绿能优先供电(即再生能源300-4)来降低市电300-1的费用。如果再生能源300-4供电不足时，会加入另一个供电电源(例如输入源300为市电)一起供电，此输入源相较再生能源为一个较稳定的电力来源。如果再生能源300-4所供应的功率容量加上输入源300一起供电时，仍无法满足整个系统所需的功率需求，此时内部控制器便会将第一切换开关1由耦接再生能源300-4切换至耦接市电300-1、发电机300-2或电池300-3，来达到满足整个整合式通信电源系统100所需的功率需求。此架构也不需要额外购买且附加一级的光伏充电器，即可将整个系统的效益极大化，也降低系统配置的空间与资本支出，也将整个系统效率极大化。
[0079]
请参阅图3b为本发明整合式通信电源系统的第二变形实施例架构图，复配合参阅图1～3a。整合式通信电源系统100还包括第四整合式转换模块7、第二切换开关8及第五整合式转换模块9，且第四整合式转换模块7与第二切换开关8、第五整合式转换模块9(以虚线路径表示)构成两组并列的供电路径，以供使用者依实际状况选用其中一组对天线处理模块204供电。第四整合式转换模块7的输入端耦接电力线l与再生能源300-4，且第四整合式转换模块7的输出端耦接天线处理模块204。第四整合式转换模块7选择性地接收通过电力线l的电力线电压vl或再生能源300-4所提供的输入电压vin，且将电力线电压vl或输入电压vin转换为终端电压vt，以供应天线处理模块204。其中，第四整合式转换模块7可以为降压式转换模块，主要功用在于将电力线电压vl降压至适合天线处理模块204运行的终端电压vt。
[0080]
具体而言，有些实施方式为了将电力线l的线损降得更低，或是电力线l的长度非常长，需要将输出电压vo提升的更高，远高于天线处理模块204端的最大允许工作电压。为了将负载端的终端电压vt大致固定在某一电压值，且不超过天线处理模块204端的最大允许工作电压，所以必须在电塔a上再安装另一级的降压装置。由于在电塔a上特别适用于额外架设太阳能电池或风机等再生能源装置，因此可使用第四整合式转换模块7将此两者电力供应源整合在一起，当再生能源300-4充足时，可使用再生能源300-4供电，当再生能源300-4不足时，再由电力线l供电。如此，即可以节省整合式通信电源系统100的功率消耗(如线损、电路的功率损耗等)。
[0081]
第二切换开关8包括至少两个输入端8-1与输出端8-2，输入端8-1的其中的一者耦接电力线l、另一者耦接再生能源300-4、市电300-1、发电机300-2与电池300-3等供电设备(图未示)的至少其中的一者，且用以选择性地切换输入端8-1的其中一者耦接输出端8-2。第五整合式转换模块9的输入端耦接第二切换开关8的输出端8-2，且第五整合式转换模块9的输出端可供电给天线处理模块204。第五整合式转换模块9选择性地接收通过电力线l的一电力线电压vl或再生能源300-4、市电300-1、发电机300-2与电池300-3等供电设备(图未示)的其中一者所提供的电力作为输入电压vin，且将输入电压vin转换为天线处理模块204适合的电压。其中，第五整合式转换模块9也为降压式转换模块，主要功用在于将电力线电压vl降压至适合天线处理模块204运行的终端电压vt。
[0082]
进一步而言，如图3b所示，第四整合式转换模块7、第二切换开关8及第五整合式转
换模块9主要是直接地设置于电塔a上而备援天线处理模块204，以备不时的需。由于这些模块裸露在外，因此必须要使用具有防护等级(ingress protection；ip)的外壳体(例如但不限于可以为ip65的防护等级)包覆而构成外挂电源模块400，以避免这些模块受潮损坏。其中，外挂电源模块400可以包括储能模块4，且储能模块4耦接天线处理模块204，以在天线处理模块204急需用电但塔下设备供电不足时，对天线处理模块204应急供电。其中，使用第四整合式转换模块7的供电路径好处在于，再生能源300-4可直接安装于塔上，因此无须再由塔下额外配线至塔上。使用第二切换开关8及第五整合式转换模块9的供电路径好处在于，在机房100-1所供应的电力不足，且塔上的再生能源300-4也不足以满足天线处理模块204所需求的电力时，可通过塔下的例如但不限于发电机300-2将电力直接输配至塔上，以提高备援能力。
[0083]
请参阅图3c为本发明整合式通信电源系统的第三变形实施例架构图，复配合参阅图1～3b。通信设备200还可以包括边缘伺服器206，且第一整合式转换模块2更整合逆变电路，逆变电路的输出端耦接边缘伺服器206。第一整合式转换模块2通过经整合后的逆变电路将输入电压vin转换为交流电压vac，以对边缘伺服器供电206。具体而言，整合式通信电源系统100如需增强移动宽频，针对大流量移动宽频业务与超高可靠超低时延通信(例如无人驾驶等业务等)，会有边缘伺服器206(edge server)的需求。以目前的架构，其输入的电压需求为交流电，因此如将交流-直流转换电路(rectifier)与逆变电路(inverter)做结合，而成为双向电源转换电路(rectiverter)。此结构不仅将系统架构变得简单，也有节省成本、提升系统效率等优点。其中，在逆变电路的输出端至边缘伺服器206的路径上，可以外加发电机300-2，以备不时之需。
[0084]
请参阅图3d为本发明整合式通信电源系统的第四变形实施例架构图，复配合参阅图1～3c。本实施例与图3c实施例的差异在于，基站模块202包括基频模块202-1与边缘伺服器206’，且边缘伺服器206’输入的电压需求为直流电。在输入电压vin充足时，第一整合式转换模块2所提供直流电压vdc除了对基频模块202-1供电外(利用储能电压vb)，同时也对边缘伺服器206’供电(如图2b直流电压vdc做为输出电压vo时，亦是如此)。在输入电压vin不足时，由储能模块4所提供的储能电压vb对基频模块202-1与边缘伺服器206’备援供电。
[0085]
值得一提，于本发明的一实施例中，图1～图3d的实施例的特点可依据系统的实际需求搭配使用，例如但不限于，图2b的直流转换模块3-1架构搭配图3a的输入电压vin供应方式等，主要依据现场的通信设备200配置需求而定。于一特殊的实施例中，整合式通信电源系统100可以只包括第一切换开关1与第一整合式转换模块2而省略直流转换模块3。这种特殊实施例主要是应用于线损不高的系统，使得输出电压vo扣除线损后，仍然可维持终端电压vt满足天线处理模块204的需求。
[0086]
此外，于本发明的一实施例中，第二整合式转换模块6至第五整合式转换模块9内部如同第一整合式转换模块2，皆具有将交流-直流转换电路(rectifier)与直流-直流转换电路整合在一起的电路。如有特殊需求，也可结合图3c所示的逆变电路(inverter)，而成为双向电源转换电路(rectiverter)。而且，第二整合式转换模块6至第五整合式转换模块9如同第一整合式转换模块2，可以包括用以检测整合式转换模块输入端的输入电压检测单元(若输入端并非为多输入，则可不在此限)，以根据整合式转换模块输入端的输入电压类型选择性地切整合式转换模块2工作于交流-直流模式、直流-直流模式或最大功率点追踪模
式。
[0087]
而，以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本公开的权利要求。