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一、前言

芯片采購(gòu)網(wǎng)專注于整合國(guó)內(nèi)外授權(quán)IC代理商現(xiàn)貨資源，芯片庫(kù)存實(shí)時(shí)查詢，行業(yè)價(jià)格合理，采購(gòu)方便IC芯片，國(guó)內(nèi)專業(yè)芯片采購(gòu)平臺(tái)。

全球主流鐵路系統(tǒng)采用多電壓供電，導(dǎo)致電源模塊無(wú)法集成，實(shí)現(xiàn)電源故障維護(hù)功能，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和管理成本。為了兼容超寬全電壓輸入范圍和電容集成，金盛陽(yáng)采用獨(dú)立的方式IC其優(yōu)點(diǎn)發(fā)明了一種主動(dòng)斷電保持電路。通過(guò)分析市場(chǎng)上幾種常見(jiàn)鐵路電源方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)超寬壓鐵路電源方案進(jìn)行了比較和總結(jié)。

關(guān)鍵詞:超寬壓；鐵路電源；主動(dòng)斷電保持電路；外圍簡(jiǎn)單固定

二、設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在全球主流鐵路系統(tǒng)控制中，大多數(shù)國(guó)家內(nèi)部控制所需的電源電壓為24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。這將導(dǎo)致電源模塊無(wú)法集成應(yīng)用，增加客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和管理成本。

根據(jù)ENGeneSiC代理根據(jù)50155年鐵路電源標(biāo)準(zhǔn)，DC電源模塊需要在電源電壓波動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定地為后端設(shè)備提供能量。即使電壓變化最大，電源模塊也應(yīng)正常輸出，以保護(hù)后端設(shè)備的穩(wěn)定性。從下圖可以看出，EN50155標(biāo)準(zhǔn)要求電源設(shè)備穩(wěn)定工作的電壓波動(dòng)范圍為0.7倍至1.25倍，即16倍.8V~137.5V，超出波動(dòng)范圍的0.6倍和1.4倍只需要100的工作時(shí)間ms和1s。超寬壓電源模塊的輸入范圍設(shè)計(jì)為14，以滿足全球鐵路系統(tǒng)的供電需求和認(rèn)證要求V~160V。

圖1 鐵路電源電壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求

同時(shí)，鑒于鐵路系統(tǒng)的高可靠性要求，切斷電源后，需要滿足后端設(shè)備可以存儲(chǔ)斷電狀態(tài)數(shù)據(jù)并有序切換到備用電源，因此電源模塊前端需要儲(chǔ)能電容來(lái)滿足斷電10ms的功能。

三、傳統(tǒng)方案:輸入并聯(lián)電解電容器

在傳統(tǒng)方案中，輸入端并聯(lián)電解電容通常實(shí)現(xiàn)掉電延遲功能。

圖2 傳統(tǒng)方案示意圖

根據(jù)電容能量存儲(chǔ)公式W=1/2*C*U2和放電時(shí)間t=RC*Ln*U/Ut可以看出，輸入電壓U越高，儲(chǔ)存的能量W越多，相同電容值C的電源維護(hù)時(shí)間T越長(zhǎng)，相反，輸入電壓越低，儲(chǔ)存在相同條件下的能量越小，電源維護(hù)時(shí)間越短，電壓變化為平方差加劇了這種現(xiàn)象。

由于電源輸入電壓非常寬，如果根據(jù)最高輸入電壓選擇外部能量存儲(chǔ)電容，電容值將非常大，如24V系統(tǒng)，100W功率保持10ms，電容容值需8000uF，按160V外部?jī)?chǔ)能電容的最大輸入電壓將非常大(約為磚電源模塊四分之一的3.8倍)。

圖3 不同輸入電壓下所需的電容值

為了解決上述問(wèn)題，行業(yè)中常用的解決方案是根據(jù)客戶的不同應(yīng)用系統(tǒng)推薦不同的耐壓外圍電容器，但這將導(dǎo)致客戶系統(tǒng)無(wú)法集成，失去超寬壓電源模塊設(shè)計(jì)的初衷，增加客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度、材料管理成本和認(rèn)證成本。

四、主流方案①：兩級(jí)拓?fù)?/b>

拋棄傳統(tǒng)方案，市場(chǎng)主流方案采用兩級(jí)拓?fù)�。前拓�(fù)洳捎肂oost升壓電路，后部為反激、半橋或全橋電路等正常拓?fù)�，外部�(jī)?chǔ)能電容置于兩級(jí)拓?fù)渲�間，即升壓電路的輸出端。

圖4 主流方案1示意圖-兩級(jí)拓?fù)浞桨?/p>

當(dāng)?shù)蛪狠斎霑r(shí)，升壓電路將低輸入電壓升至設(shè)定的高壓值，給外部?jī)?chǔ)能電容器充電；當(dāng)高壓輸入時(shí)，升壓電路直接通過(guò)，高輸入電壓直接給外部?jī)?chǔ)能電容器充電，使電解電容器具有較大的耐壓性和較小的容量值，以滿足斷電延遲功能。當(dāng)輸入電壓切斷時(shí)，外部?jī)?chǔ)能電容器可以繼續(xù)為后代提供能量，以實(shí)現(xiàn)斷電。

圖5 兩級(jí)拓?fù)潆娐穲D-外加小電路

由于是兩級(jí)串聯(lián)，整機(jī)效率低，不適合高功率密度產(chǎn)品；外部?jī)?chǔ)能電容作為Boost電路的容性負(fù)載不能直接添加到輸出端，需要在模塊外增加小電路和大電容，以防止啟動(dòng)不良。

該方案有兩個(gè)缺陷：

①與單級(jí)充電方案相比，兩級(jí)串聯(lián)電路拓?fù)涞膹?fù)雜性大大提高，系統(tǒng)的可靠性和成本大大降低，這些最終的不利因素也將轉(zhuǎn)移到終端客戶；

②與單級(jí)充電方案相比，兩級(jí)串聯(lián)方案的整機(jī)效率將降低，從而提高大功率電源和系統(tǒng)的溫度，降低電源和系統(tǒng)的使用壽命。

五、主流方案②：?jiǎn)渭?jí)拓?fù)浼颖粍?dòng)降壓

與兩級(jí)拓?fù)湎啾龋�近年�?lái)出現(xiàn)了單級(jí)拓?fù)浼颖粍?dòng)降壓方案，以提高效率和可靠性。

圖6 主流方案2示意圖-單級(jí)被動(dòng)降壓方案

以某個(gè)品牌的某個(gè)型號(hào)為例，當(dāng)輸入電壓正常建立時(shí)，降壓電路將輸入電壓鉗低壓值22V，此時(shí)24V給外部電容充電電路；當(dāng)輸入電壓降至22時(shí)V下面，外部電容器將通過(guò)二極管切入，為后端提供存儲(chǔ)能量10ms停電時(shí)間。輸入電壓高于22V掉電延遲功能正常執(zhí)行，只需一個(gè)35V耐壓8000uF電解電容。

但輸入電壓不足22V當(dāng)外部電容電壓跟隨輸入電壓時(shí)，無(wú)法儲(chǔ)存能量，電源故障；不僅如此，當(dāng)更換到需要提高的欠壓點(diǎn)超過(guò)22時(shí)V在系統(tǒng)中，由于儲(chǔ)能電容電壓跟隨輸入電壓，直到產(chǎn)品關(guān)閉才能觸發(fā)24V充電閾值導(dǎo)致功能故障。

圖7 不同輸入電壓下的斷電保持功能

六、技術(shù)新升級(jí):主動(dòng)掉電保持電路

金升陽(yáng)利用自主權(quán)IC優(yōu)點(diǎn)是發(fā)明了主動(dòng)斷電保持電路，使電源模塊能夠滿足超寬壓，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的電源，體積小，外圍簡(jiǎn)單固定。

該電路包括能量預(yù)存儲(chǔ)模塊和輸入電源自動(dòng)切換模塊。能量預(yù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算實(shí)現(xiàn)電容體積最小化和能量存儲(chǔ)最大化；電源自動(dòng)切換模塊可以隨時(shí)檢測(cè)輸入電壓狀態(tài)。一旦輸入電壓被切斷，外部電容器將為主功率輸入端提供存儲(chǔ)能量，使產(chǎn)品繼續(xù)工作10ms，自動(dòng)平穩(wěn)切換后端設(shè)備。

圖8 主動(dòng)斷電保持電路

同時(shí)，主動(dòng)斷電保持電路方案具有可編程欠壓保護(hù)。當(dāng)客戶在不同的供電系統(tǒng)中提高欠壓點(diǎn)時(shí)，該方案可以保證輸入電壓的全范圍，并保持10ms。

圖9 輸入欠壓保護(hù)設(shè)置圖

該技術(shù)已成功應(yīng)用于金升陽(yáng)鐵路電源產(chǎn)品，UWTH1DxxQB-100WR3系列。超寬壓輸入14-16系列VDC，適用于全球主流輸入電壓的鐵路系統(tǒng)；可實(shí)現(xiàn)10次斷電ms，外圍簡(jiǎn)單固定，只需470顆uF電解電容器；輸入欠壓保護(hù)只需調(diào)整外部電阻；并滿足5萬(wàn)m海拔應(yīng)用，隔離耐壓3萬(wàn)VAC。

圖10 金升陽(yáng)超寬壓鐵路電源

七、總結(jié)

鐵路電源方案不是唯一的，那么如何選擇和設(shè)計(jì)合適的電源方案呢？如果設(shè)計(jì)能力弱，可以選擇傳統(tǒng)方案；如果不太注意效率或斷電指標(biāo)，可以選擇常規(guī)拓?fù)洌恍枰�適應(yīng)各種工況，如集成度較高，可以選擇更省心的主動(dòng)斷電維護(hù)電路方案。

隨著行業(yè)需求的增加和技術(shù)需求的增加，產(chǎn)品更新和迭代的速度也越來(lái)越快。金盛陽(yáng)在滿足功能的前提下，努力追求高效、高可靠性。其超寬壓鐵路電源方案幫助客戶降低成本和體積，提高系統(tǒng)壽命，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，加快認(rèn)證時(shí)間，有效降低管理成本。

詳見(jiàn)技術(shù)手冊(cè)：UWTH1D_QB-100W(H/F)R3