超宽压铁路电源方案的分析与对比.doc

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1、超宽压铁路电源方案的分析与对比超宽压铁路电源方案帮助客户实现降低成本与体积，提升系统寿命，同时降低系统设计难度，加速认证时间，最终物料归一，有效降低管理成本。一、前言全球主流铁路系统呈现多电压供电，导致电源模块无法归一化实现掉电保持功能，增加了客户应用系统的设计难度和管理成本。为兼容超宽全电压输入范围和电容归一化，金升阳利用自主IC的优势发明了一种主动式掉电保持电路。本文通过分析市面上几种常见铁路电源方案的优缺点，对超宽压铁路电源方案进行对比与总结。关键词：超宽压；铁路电源；主动式掉电保持电路；外围简单固定二、设计难点在全球主流的铁路系统控制中，多数国家的内部控制所需供电电压含24V、28V、

2、36V、48V、72V、96V和110V。这将导致电源模块无法归一化应用，增加了客户系统设计的难度和管理成本。根据EN50155铁路电源标准要求，直流电源模块在供电电压波动范围内需稳定为后端设备提供能量，即使出现电压最大变化量的波动，电源模块应正常输出并保护后端设备的稳定进行。从下图可看出，EN50155标准要求电源设备稳定工作的电压波动范围在0.7倍至1.25倍，即16.8V137.5V，而超出波动范围至0.6倍和1.4倍只要求工作时间为100ms和1s。为了满足全球铁路系统供电需求和认证要求，超宽压电源模块的输入范围设计为14V160V。图1 铁路电源电压设计标准要求同时，鉴于铁路系统具备

3、高可靠性要求，在供电被切断后，需满足后端设备可进行掉电状态数据的存储且有序切换到备用电源，因此要求电源模块前端有储能电容来满足掉电保持10ms的功能。三、传统方案：输入端并联电解电容传统方案上，掉电延时功能通常采用输入端并联电解电容来实现。图2 传统方案示意图根据电容能量存储公式W=1/2*C*U2和放电时间t=RC*Ln*U/Ut可知，输入电压U越高，存储的能量W就越多，那么相同电容值C的情况下掉电保持时间t就越长，反之，输入电压越低，则相同条件下存储的能量就会越小，掉电保持时间就越短，而电压变化量呈平方差值关系更是加剧了这一现象。由于电源输入电压非常宽，如果按最高输入电压选择外部能量存储电

4、容，为兼顾低压系统应用，电容的容值将非常大，如24V系统，100W功率，实现掉电保持10ms，电容容值需8000uF，按160V最高输入电压，外置储能电容的体积将非常巨大（约为四分之一砖电源模块的3.8倍）。图3 不同输入电压下所需的电容值为解决以上的问题，行业内常用的方案是根据客户不同的应用系统，推荐不同耐压的外围电容，但这将导致客户系统无法归一化，失去了超宽压电源模块设计的初衷，增加客户系统设计的难度、物料管理成本和认证费用。四、主流方案：两级拓扑摒弃传统方案，现市面上主流方案使用两级拓扑。前级拓扑采用Boost升压电路，后级为反激、半桥或全桥电路等正常拓扑，外置储能电容置于两级拓扑之间，

5、即升压电路的输出端。图4 主流方案1示意图-两级拓扑方案当低压输入时，升压电路把低输入电压升至设定高压值给外置储能电容充电；当高压输入时，升压电路直通，高输入电压直接给外置储能电容充电，这样可以使用大耐压，小容值的电解电容满足掉电延时功能。出现输入电压被切断的情况时，外置储能电容可以继续给后级提供能量实现掉电保持时间。图5 两级拓扑电路图-外加小电路由于是两级串联，导致整机效率低，不适合做高功率密度产品；外置储能电容作为Boost电路的容性负载，不可直接加在输出端，需要额外在模块外增加小电路和大电容以防止启机不良。这种方案存在两种缺陷：对比单级充电方案来说，两级串联的电路拓扑复杂度大大增加，一

6、定程度上降低了系统的可靠性，同时成本大幅度增加，而这些最终的不利因素也将转移到终端客户；两级串联方案较于单级充电方案的整机效率将降低，从而带来大功率电源和系统的温升升高，降低了电源和系统的寿命。五、主流方案：单级拓扑加被动式降压相较于两级拓扑，为了提升效率和可靠性，近年来出现了单级拓扑加被动式降压方案。图6 主流方案2示意图-单级被动式降压方案以某品牌某型号为例，当输入电压正常建立，降压电路会把输入电压钳位在设定低压值22V，此时24V充电电路给外置电容充电；当输入电压掉电至22V以下时，外置电容会通过二极管切入，提供存储的能量给后端维持10ms的掉电保持时间。在输入电压高于22V时，掉电延时

7、功能是正常执行的，只需要一颗35V耐压8000uF的电解电容。但当输入电压不足22V时，外置电容电压就会跟随输入电压，无法储能，掉电保持功能失效；不仅如此，当更换至需上调欠压点超过22V的系统时，由于储能电容电压跟随输入电压，就会出现直至产品关断都无法触发24V充电阈值，导致掉电保持功能失效。图7 不同输入电压下的掉电保持功能六、技术新升级：主动式掉电保持电路金升阳利用自主IC的优势，发明了一种主动式掉电保持电路，让一个电源模块满足超宽压，同时实现电源统一且体积小型、外围简单且固定。该电路包含能量预存储模块和输入掉电自动切换模块。能量预存储模块通过精准的设计和计算，实现电容体积最小化，能量存储

8、最大化；掉电自动切换模块，能够时时检测输入电压的状态，一旦输入电压被切断，外置电容就会向主功率输入端提供存储的能量使产品继续工作10ms，后端设备实现自动平稳切换。图8 主动式掉电保持电路同时，主动式掉电保持电路方案具有可编程欠压保护，当客户上调欠压点以应用于不同供电系统时，此方案可保障输入电压全范围实现掉电保持10ms。图9 输入欠压保护的设置图这个技术成功应用到金升阳的铁路电源产品上，UWTH1DxxQB-100WR3系列。该系列具备超宽压输入14-160VDC，适用全球主流输入电压的铁路系统；可实现掉电保持10ms，外围简单固定，仅需一颗470uF的电解电容；输入欠压保护只需调节外置电阻；并且满足5000m海拔应用，隔离耐压3000VAC。图10 金升阳超宽压铁路电源七、总结铁路电源方案并不唯一，那如何选择、设计合适的电源方案呢？设计能力较弱的，可以选择传统方案；对效率或掉电保持指标不太关注的，可以选择常规拓扑；需要适应各种工况，喜欢集成度更高的，可以选择更省心的主动式掉电保持电路方案。随着行业需求量的增大和技术要求的增高，产品更新迭代的速度也愈发直上。在满足功能的前提下，金升阳竭力追求高效率、高可靠性，其超宽压铁路电源方案帮助客户实现降低成本与体积，提升系统寿命，同时降低系统设计难度，加速认证时间，最终物料归一，有效降低管理成本。8