【導讀】全球主流鐵路系統呈現多電壓供電，導致電源模塊無(wú)法歸一化實(shí)現掉電保持功能，增加了客戶(hù)應用系統的設計難度和管理成本。為兼容超寬全電壓輸入范圍和電容歸一化，金升陽(yáng)利用自主IC的優(yōu)勢發(fā)明了一種主動(dòng)式掉電保持電路。本文通過(guò)分析市面上幾種常見(jiàn)鐵路電源方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對超寬壓鐵路電源方案進(jìn)行對比與總結。
一、前言
全球主流鐵路系統呈現多電壓供電，導致電源模塊無(wú)法歸一化實(shí)現掉電保持功能，增加了客戶(hù)應用系統的設計難度和管理成本。為兼容超寬全電壓輸入范圍和電容歸一化，金升陽(yáng)利用自主IC的優(yōu)勢發(fā)明了一種主動(dòng)式掉電保持電路。本文通過(guò)分析市面上幾種常見(jiàn)鐵路電源方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對超寬壓鐵路電源方案進(jìn)行對比與總結。
二、設計難點(diǎn)
在全球主流的鐵路系統控制中，多數國家的內部控制所需供電電壓含24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。這將導致電源模塊無(wú)法歸一化應用，增加了客戶(hù)系統設計的難度和管理成本。
根據EN50155鐵路電源標準要求，直流電源模塊在供電電壓波動(dòng)范圍內需穩定為后端設備提供能量，即使出現電壓最大變化量的波動(dòng)，電源模塊應正常輸出并保護后端設備的穩定進(jìn)行。從下圖可看出，EN50155標準要求電源設備穩定工作的電壓波動(dòng)范圍在0.7倍至1.25倍，即16.8V~137.5V，而超出波動(dòng)范圍至0.6倍和1.4倍只要求工作時(shí)間為100ms和1s。為了滿(mǎn)足全球鐵路系統供電需求和認證要求，超寬壓電源模塊的輸入范圍設計為14V~160V。
圖1 鐵路電源電壓設計標準要求
同時(shí)，鑒于鐵路系統具備高可靠性要求，在供電被切斷后，需滿(mǎn)足后端設備可進(jìn)行掉電狀態(tài)數據的存儲且有序切換到備用電源，因此要求電源模塊前端有儲能電容來(lái)滿(mǎn)足掉電保持10ms的功能。
三、傳統方案：輸入端并聯(lián)電解電容
傳統方案上，掉電延時(shí)功能通常采用輸入端并聯(lián)電解電容來(lái)實(shí)現。
圖2 傳統方案示意圖
根據電容能量存儲公式W=1/2*C*U2和放電時(shí)間t=RC*Ln*U/Ut可知，輸入電壓U越高，存儲的能量W就越多，那么相同電容值C的情況下掉電保持時(shí)間t就越長(cháng)，反之，輸入電壓越低，則相同條件下存儲的能量就會(huì )越小，掉電保持時(shí)間就越短，而電壓變化量呈平方差值關(guān)系更是加劇了這一現象。
由于電源輸入電壓非常寬，如果按最高輸入電壓選擇外部能量存儲電容，為兼顧低壓系統應用，電容的容值將非常大，如24V系統，100W功率，實(shí)現掉電保持10ms，電容容值需8000uF，按160V最高輸入電壓，外置儲能電容的體積將非常巨大（約為四分之一磚電源模塊的3.8倍）。
圖3 不同輸入電壓下所需的電容值
為解決以上的問(wèn)題，行業(yè)內常用的方案是根據客戶(hù)不同的應用系統，推薦不同耐壓的外圍電容，但這將導致客戶(hù)系統無(wú)法歸一化，失去了超寬壓電源模塊設計的初衷，增加客戶(hù)系統設計的難度、物料管理成本和認證費用。
四、主流方案①：兩級拓撲
摒棄傳統方案，現市面上主流方案使用兩級拓撲。前級拓撲采用Boost升壓電路，后級為反激、半橋或全橋電路等正常拓撲，外置儲能電容置于兩級拓撲之間，即升壓電路的輸出端。
圖4 主流方案1示意圖-兩級拓撲方案
當低壓輸入時(shí)，升壓電路把低輸入電壓升至設定高壓值給外置儲能電容充電；當高壓輸入時(shí)，升壓電路直通，高輸入電壓直接給外置儲能電容充電，這樣可以使用大耐壓，小容值的電解電容滿(mǎn)足掉電延時(shí)功能。出現輸入電壓被切斷的情況時(shí)，外置儲能電容可以繼續給后級提供能量實(shí)現掉電保持時(shí)間。
圖5 兩級拓撲電路圖-外加小電路
由于是兩級串聯(lián)，導致整機效率低，不適合做高功率密度產(chǎn)品；外置儲能電容作為Boost電路的容性負載，不可直接加在輸出端，需要額外在模塊外增加小電路和大電容以防止啟機不良。
這種方案存在兩種缺陷：
①對比單級充電方案來(lái)說(shuō)，兩級串聯(lián)的電路拓撲復雜度大大增加，一定程度上降低了系統的可靠性，同時(shí)成本大幅度增加，而這些最終的不利因素也將轉移到終端客戶(hù)；
②兩級串聯(lián)方案較于單級充電方案的整機效率將降低，從而帶來(lái)大功率電源和系統的溫升升高，降低了電源和系統的壽命。
五、主流方案②：?jiǎn)渭壨負浼颖粍?dòng)式降壓
相較于兩級拓撲，為了提升效率和可靠性，近年來(lái)出現了單級拓撲加被動(dòng)式降壓方案。
圖6 主流方案2示意圖-單級被動(dòng)式降壓方案
以某品牌某型號為例，當輸入電壓正常建立，降壓電路會(huì )把輸入電壓鉗位在設定低壓值22V，此時(shí)24V充電電路給外置電容充電；當輸入電壓掉電至22V以下時(shí)，外置電容會(huì )通過(guò)二極管切入，提供存儲的能量給后端維持10ms的掉電保持時(shí)間。在輸入電壓高于22V時(shí)，掉電延時(shí)功能是正常執行的，只需要一顆35V耐壓8000uF的電解電容。
但當輸入電壓不足22V時(shí)，外置電容電壓就會(huì )跟隨輸入電壓，無(wú)法儲能，掉電保持功能失效；不僅如此，當更換至需上調欠壓點(diǎn)超過(guò)22V的系統時(shí)，由于儲能電容電壓跟隨輸入電壓，就會(huì )出現直至產(chǎn)品關(guān)斷都無(wú)法觸發(fā)24V充電閾值，導致掉電保持功能失效。
圖7 不同輸入電壓下的掉電保持功能
六、技術(shù)新升級：主動(dòng)式掉電保持電路
金升陽(yáng)利用自主IC的優(yōu)勢，發(fā)明了一種主動(dòng)式掉電保持電路，讓一個(gè)電源模塊滿(mǎn)足超寬壓，同時(shí)實(shí)現電源統一且體積小型、外圍簡(jiǎn)單且固定。
該電路包含能量預存儲模塊和輸入掉電自動(dòng)切換模塊。能量預存儲模塊通過(guò)精準的設計和計算，實(shí)現電容體積最小化，能量存儲最大化；掉電自動(dòng)切換模塊，能夠時(shí)時(shí)檢測輸入電壓的狀態(tài)，一旦輸入電壓被切斷，外置電容就會(huì )向主功率輸入端提供存儲的能量使產(chǎn)品繼續工作10ms，后端設備實(shí)現自動(dòng)平穩切換。
圖8 主動(dòng)式掉電保持電路
同時(shí)，主動(dòng)式掉電保持電路方案具有可編程欠壓保護，當客戶(hù)上調欠壓點(diǎn)以應用于不同供電系統時(shí)，此方案可保障輸入電壓全范圍實(shí)現掉電保持10ms。
圖9 輸入欠壓保護的設置圖
這個(gè)技術(shù)成功應用到金升陽(yáng)的鐵路電源產(chǎn)品上，UWTH1DxxQB-100WR3系列。該系列具備超寬壓輸入14-160VDC，適用全球主流輸入電壓的鐵路系統；可實(shí)現掉電保持10ms，外圍簡(jiǎn)單固定，僅需一顆470uF的電解電容；輸入欠壓保護只需調節外置電阻；并且滿(mǎn)足5000m海拔應用，隔離耐壓3000VAC。
圖10 金升陽(yáng)超寬壓鐵路電源
七、總結
鐵路電源方案并不唯一，那如何選擇、設計合適的電源方案呢？設計能力較弱的，可以選擇傳統方案；對效率或掉電保持指標不太關(guān)注的，可以選擇常規拓撲；需要適應各種工況，喜歡集成度更高的，可以選擇更省心的主動(dòng)式掉電保持電路方案。
隨著(zhù)行業(yè)需求量的增大和技術(shù)要求的增高，產(chǎn)品更新迭代的速度也愈發(fā)直上。在滿(mǎn)足功能的前提下，金升陽(yáng)竭力追求高效率、高可靠性，其超寬壓鐵路電源方案幫助客戶(hù)實(shí)現降低成本與體積，提升系統壽命，同時(shí)降低系統設計難度，加速認證時(shí)間，最終物料歸一，有效降低管理成本。
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