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一、前言

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全球主流鐵路系統采用多電壓供電，導致電源模塊無法集成，實現電源故障維護功能，增加了客戶應用系統的設計難度和管理成本。為了兼容超寬全電壓輸入范圍和電容集成，金盛陽采用獨立的方式IC其優點發明了一種主動斷電保持電路。通過分析市場上幾種常見鐵路電源方案的優缺點，對超寬壓鐵路電源方案進行了比較和總結。

關鍵詞:超寬壓；鐵路電源；主動斷電保持電路；外圍簡單固定

二、設計難點

在全球主流鐵路系統控制中，大多數國家內部控制所需的電源電壓為24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。這將導致電源模塊無法集成應用，增加客戶系統設計的難度和管理成本。

根據ENGeneSiC代理根據50155年鐵路電源標準，DC電源模塊需要在電源電壓波動范圍內穩定地為后端設備提供能量。即使電壓變化最大，電源模塊也應正常輸出，以保護后端設備的穩定性。從下圖可以看出，EN50155標準要求電源設備穩定工作的電壓波動范圍為0.7倍至1.25倍，即16倍.8V~137.5V，超出波動范圍的0.6倍和1.4倍只需要100的工作時間ms和1s。超寬壓電源模塊的輸入范圍設計為14，以滿足全球鐵路系統的供電需求和認證要求V~160V。

圖1 鐵路電源電壓設計標準要求

同時，鑒于鐵路系統的高可靠性要求，切斷電源后，需要滿足后端設備可以存儲斷電狀態數據并有序切換到備用電源，因此電源模塊前端需要儲能電容來滿足斷電10ms的功能。

三、傳統方案:輸入并聯電解電容器

在傳統方案中，輸入端并聯電解電容通常實現掉電延遲功能。

圖2 傳統方案示意圖

根據電容能量存儲公式W=1/2*C*U2和放電時間t=RC*Ln*U/Ut可以看出，輸入電壓U越高，儲存的能量W越多，相同電容值C的電源維護時間T越長，相反，輸入電壓越低，儲存在相同條件下的能量越小，電源維護時間越短，電壓變化為平方差加劇了這種現象。

由于電源輸入電壓非常寬，如果根據最高輸入電壓選擇外部能量存儲電容，電容值將非常大，如24V系統，100W功率保持10ms，電容容值需8000uF，按160V外部儲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

為了解決上述問題，行業中常用的解決方案是根據客戶的不同應用系統推薦不同的耐壓外圍電容器，但這將導致客戶系統無法集成，失去超寬壓電源模塊設計的初衷，增加客戶系統設計的難度、材料管理成本和認證成本。

四、主流方案①：兩級拓撲

拋棄傳統方案，市場主流方案采用兩級拓撲。前拓撲采用Boost升壓電路，后部為反激、半橋或全橋電路等正常拓撲，外部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，升壓電路將低輸入電壓升至設定的高壓值，給外部儲能電容器充電；當高壓輸入時，升壓電路直接通過，高輸入電壓直接給外部儲能電容器充電，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。當輸入電壓切斷時，外部儲能電容器可以繼續為后代提供能量，以實現斷電。

圖5 兩級拓撲電路圖-外加小電路

由于是兩級串聯，整機效率低，不適合高功率密度產品；外部儲能電容作為Boost電路的容性負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，以防止啟動不良。

該方案有兩個缺陷：

①與單級充電方案相比，兩級串聯電路拓撲的復雜性大大提高，系統的可靠性和成本大大降低，這些最終的不利因素也將轉移到終端客戶；

②與單級充電方案相比，兩級串聯方案的整機效率將降低，從而提高大功率電源和系統的溫度，降低電源和系統的使用壽命。

五、主流方案②：單級拓撲加被動降壓

與兩級拓撲相比，近年來出現了單級拓撲加被動降壓方案，以提高效率和可靠性。

圖6 主流方案2示意圖-單級被動降壓方案

以某個品牌的某個型號為例，當輸入電壓正常建立時，降壓電路將輸入電壓鉗低壓值22V，此時24V給外部電容充電電路；當輸入電壓降至22時V下面，外部電容器將通過二極管切入，為后端提供存儲能量10ms停電時間。輸入電壓高于22V掉電延遲功能正常執行，只需一個35V耐壓8000uF電解電容。

但輸入電壓不足22V當外部電容電壓跟隨輸入電壓時，無法儲存能量，電源故障；不僅如此，當更換到需要提高的欠壓點超過22時V在系統中，由于儲能電容電壓跟隨輸入電壓，直到產品關閉才能觸發24V充電閾值導致功能故障。

圖7 不同輸入電壓下的斷電保持功能

六、技術新升級:主動掉電保持電路

金升陽利用自主權IC優點是發明了主動斷電保持電路，使電源模塊能夠滿足超寬壓，實現統一的電源，體積小，外圍簡單固定。

該電路包括能量預存儲模塊和輸入電源自動切換模塊。能量預存儲模塊通過精確的設計和計算實現電容體積最小化和能量存儲最大化；電源自動切換模塊可以隨時檢測輸入電壓狀態。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能量，使產品繼續工作10ms，自動平穩切換后端設備。

圖8 主動斷電保持電路

同時，主動斷電保持電路方案具有可編程欠壓保護。當客戶在不同的供電系統中提高欠壓點時，該方案可以保證輸入電壓的全范圍，并保持10ms。

圖9 輸入欠壓保護設置圖

該技術已成功應用于金升陽鐵路電源產品，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；可實現10次斷電ms，外圍簡單固定，只需470顆uF電解電容器；輸入欠壓保護只需調整外部電阻；并滿足5萬m海拔應用，隔離耐壓3萬VAC。

圖10 金升陽超寬壓鐵路電源

七、總結

鐵路電源方案不是唯一的，那么如何選擇和設計合適的電源方案呢？如果設計能力弱，可以選擇傳統方案；如果不太注意效率或斷電指標，可以選擇常規拓撲；需要適應各種工況，如集成度較高，可以選擇更省心的主動斷電維護電路方案。

隨著行業需求的增加和技術需求的增加，產品更新和迭代的速度也越來越快。金盛陽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，提高系統壽命，降低系統設計難度，加快認證時間，有效降低管理成本。

詳見技術手冊：UWTH1D_QB-100W(H/F)R3