【導讀】quanqiuzhuliutieluxitongchengxianduodianyagongdian
，daozhidianyuanmokuaiwufaguiyihuashixiandiaodianbaochigongneng，zengjialekehuyingyongxitongdeshejinanduheguanlichengben。weijianrongchaokuanquandianyashurufanweihedianrongguiyihua，jinshengyangliyongzizhuIC的de優you勢shi發fa明ming了le一yi種zhong主zhu動dong式shi掉diao電dian保bao持chi電dian路lu。本ben文wen通tong過guo分fen析xi市shi麵mian上shang幾ji種zhong常chang見jian鐵tie路lu電dian源yuan方fang案an的de優you缺que點dian，對dui超chao寬kuan壓ya鐵tie路lu電dian源yuan方fang案an進jin行xing對dui比bi與yu總zong結jie。

一、前言

quanqiuzhuliutieluxitongchengxianduodianyagongdian，daozhidianyuanmokuaiwufaguiyihuashixiandiaodianbaochigongneng，zengjialekehuyingyongxitongdeshejinanduheguanlichengben。weijianrongchaokuanquandianyashurufanweihedianrongguiyihua，jinshengyangliyongzizhuIC的de優you勢shi發fa明ming了le一yi種zhong主zhu動dong式shi掉diao電dian保bao持chi電dian路lu。本ben文wen通tong過guo分fen析xi市shi麵mian上shang幾ji種zhong常chang見jian鐵tie路lu電dian源yuan方fang案an的de優you缺que點dian，對dui超chao寬kuan壓ya鐵tie路lu電dian源yuan方fang案an進jin行xing對dui比bi與yu總zong結jie。

二、設計難點

在全球主流的鐵路係統控製中，多數國家的內部控製所需供電電壓含24V
、28V、36V
、48V、72V
、96V和110V。這將導致電源模塊無法歸一化應用，增加了客戶係統設計的難度和管理成本。

根據EN50155鐵tie路lu電dian源yuan標biao準zhun要yao求qiu，直zhi流liu電dian源yuan模mo塊kuai在zai供gong電dian電dian壓ya波bo動dong範fan圍wei內nei需xu穩wen定ding為wei後hou端duan設she備bei提ti供gong能neng量liang
，即ji使shi出chu現xian電dian壓ya最zui大da變bian化hua量liang的de波bo動dong，電dian源yuan模mo塊kuai應ying正zheng常chang輸shu出chu並bing保bao護hu後hou端duan設she備bei的de穩wen定ding進jin行xing。從cong下xia圖tu可ke看kan出chu，EN50155標準要求電源設備穩定工作的電壓波動範圍在0.7倍至1.25倍，即16.8V~137.5V
，而超出波動範圍至0.6倍和1.4倍隻要求工作時間為100ms和1s。為了滿足全球鐵路係統供電需求和認證要求，超寬壓電源模塊的輸入範圍設計為14V~160V。

圖1 鐵路電源電壓設計標準要求

同tong時shi
，鑒jian於yu鐵tie路lu係xi統tong具ju備bei高gao可ke靠kao性xing要yao求qiu，在zai供gong電dian被bei切qie斷duan後hou，需xu滿man足zu後hou端duan設she備bei可ke進jin行xing掉diao電dian狀zhuang態tai數shu據ju的de存cun儲chu且qie有you序xu切qie換huan到dao備bei用yong電dian源yuan
，因yin此ci要yao求qiu電dian源yuan模mo塊kuai前qian端duan有you儲chu能neng電dian容rong來lai滿man足zu掉diao電dian保bao持chi10ms的功能。

三、傳統方案：輸入端並聯電解電容

傳統方案上
，掉電延時功能通常采用輸入端並聯電解電容來實現。

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
，那麼相同電容值C的情況下掉電保持時間t就jiu越yue長chang，反fan之zhi，輸shu入ru電dian壓ya越yue低di

，則ze相xiang同tong條tiao件jian下xia存cun儲chu的de能neng量liang就jiu會hui越yue小xiao，掉diao電dian保bao持chi時shi間jian就jiu越yue短duan，而er電dian壓ya變bian化hua量liang呈cheng平ping方fang差cha值zhi關guan係xi更geng是shi加jia劇ju了le這zhe一yi現xian象xiang。

由於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，為兼顧低壓係統應用，電容的容值將非常大，如24V係統，100W功率，實現掉電保持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

weijiejueyishangdewenti
，xingyeneichangyongdefanganshigenjukehubutongdeyingyongxitong，tuijianbutongnaiyadewaiweidianrong
，danzhejiangdaozhikehuxitongwufaguiyihua
，shiqulechaokuanyadianyuanmokuaishejidechuzhong，zengjiakehuxitongshejidenandu
、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，現市麵上主流方案使用兩級拓撲。前級拓撲采用Boost升壓電路
，後級為反激、半橋或全橋電路等正常拓撲，外置儲能電容置於兩級拓撲之間，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，升壓電路把低輸入電壓升至設定高壓值給外置儲能電容充電
；danggaoyashurushi，shengyadianluzhitong，gaoshurudianyazhijiegeiwaizhichunengdianrongchongdian，zheyangkeyishiyongdanaiya，xiaorongzhidedianjiedianrongmanzudiaodianyanshigongneng。chuxianshurudianyabeiqieduandeqingkuangshi，waizhichunengdianrongkeyijixugeihoujitigongnengliangshixiandiaodianbaochishijian。

圖5 兩級拓撲電路圖-外加小電路

由於是兩級串聯

，導致整機效率低，不適合做高功率密度產品；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dui比bi單dan級ji充chong電dian方fang案an來lai說shuo
，兩liang級ji串chuan聯lian的de電dian路lu拓tuo撲pu複fu雜za度du大da大da增zeng加jia，一yi定ding程cheng度du上shang降jiang低di了le係xi統tong的de可ke靠kao性xing，同tong時shi成cheng本ben大da幅fu度du增zeng加jia，而er這zhe些xie最zui終zhong的de不bu利li因yin素su也ye將jiang轉zhuan移yi到dao終zhong端duan客ke戶hu；

②兩級串聯方案較於單級充電方案的整機效率將降低
，從而帶來大功率電源和係統的溫升升高，降低了電源和係統的壽命。

五
、主流方案②：單級拓撲加被動式降壓

相較於兩級拓撲，為了提升效率和可靠性，近年來出現了單級拓撲加被動式降壓方案。

圖6 主流方案2示意圖-單級被動式降壓方案

以某品牌某型號為例，當輸入電壓正常建立，降壓電路會把輸入電壓鉗位在設定低壓值22V，此時24V充電電路給外置電容充電；當輸入電壓掉電至22V以下時

，外置電容會通過二極管切入
，提供存儲的能量給後端維持10ms的掉電保持時間。在輸入電壓高於22V時
，掉電延時功能是正常執行的，隻需要一顆35V耐壓8000uF的電解電容。

但當輸入電壓不足22V時，外置電容電壓就會跟隨輸入電壓，無法儲能，掉電保持功能失效
；不僅如此，當更換至需上調欠壓點超過22V的係統時，由於儲能電容電壓跟隨輸入電壓，就會出現直至產品關斷都無法觸發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、技術新升級：主動式掉電保持電路

金升陽利用自主IC的優勢
，發明了一種主動式掉電保持電路，讓一個電源模塊滿足超寬壓，同時實現電源統一且體積小型
、外圍簡單且固定。

該電路包含能量預存儲模塊和輸入掉電自動切換模塊。能量預存儲模塊通過精準的設計和計算

，實現電容體積最小化，能量存儲最大化；掉diao電dian自zi動dong切qie換huan模mo塊kuai，能neng夠gou時shi時shi檢jian測ce輸shu入ru電dian壓ya的de狀zhuang態tai


，一yi旦dan輸shu入ru電dian壓ya被bei切qie斷duan
，外wai置zhi電dian容rong就jiu會hui向xiang主zhu功gong率lv輸shu入ru端duan提ti供gong存cun儲chu的de能neng量liang使shi產chan品pin繼ji續xu工gong作zuo10ms，後端設備實現自動平穩切換。

圖8 主動式掉電保持電路

同(tong)時(shi)

，主(zhu)動(dong)式(shi)掉(diao)電(dian)保(bao)持(chi)電(dian)路(lu)方(fang)案(an)具(ju)有(you)可(ke)編(bian)程(cheng)欠(qian)壓(ya)保(bao)護(hu)，當(dang)客(ke)戶(hu)上(shang)調(tiao)欠(qian)壓(ya)點(dian)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)不(bu)同(tong)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)時(shi)
，此(ci)方(fang)案(an)可(ke)保(bao)障(zhang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)全(quan)範(fan)圍(wei)實(shi)現(xian)掉(diao)電(dian)保(bao)持(chi)10ms。

圖9 輸入欠壓保護的設置圖

這個技術成功應用到金升陽的鐵路電源產品上，UWTH1DxxQB-100WR3係列。該係列具備超寬壓輸入14-160VDC，適用全球主流輸入電壓的鐵路係統

；可實現掉電保持10ms，外圍簡單固定，僅需一顆470uF的電解電容；輸入欠壓保護隻需調節外置電阻

；並且滿足5000m海拔應用
，隔離耐壓3000VAC。

圖10 金升陽超寬壓鐵路電源

七、總結

鐵路電源方案並不唯一，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式掉電保持電路方案。

隨著行業需求量的增大和技術要求的增高，產品更新迭代的速度也愈發直上。在滿足功能的前提下，金升陽竭力追求高效率、gaokekaoxing
，qichaokuanyatieludianyuanfanganbangzhukehushixianjiangdichengbenyutiji，tishengxitongshouming，tongshijiangdixitongshejinandu，jiasurenzhengshijian，zuizhongwuliaoguiyi，youxiaojiangdiguanlichengben。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

從製造向智造邁進，可編程邏輯控製器方案的設計與實現

SiC MOSFET FIT率和柵極氧化物可靠性的關係

ADALM2000實驗：模數轉換

提供應用關鍵價值的3D ToF LIDAR技術

汽車知識小課堂 | 如何利用LiDAR實現深度感測