超寬壓鐵路電源方案的分析與對比

全球主流鐵路系統(tǒng)呈現(xiàn)多電壓供電，導(dǎo)致電源模塊無法歸一化實現(xiàn)掉電保持功能，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)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，金升陽利用自主IC的優(yōu)勢發(fā)明了一種主動式掉電保持電路。本文通過分析市面上幾種常見鐵路電源方案的優(yōu)缺點，對超寬壓鐵路電源方案進行對比與總結(jié)。

一、前言

全球主流鐵路系統(tǒng)呈現(xiàn)多電壓供電，導(dǎo)致電源模塊無法歸一化實現(xiàn)掉電保持功能，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)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，金升陽利用自主IC的優(yōu)勢發(fā)明了一種主動式掉電保持電路。本文通過分析市面上幾種常見鐵路電源方案的優(yōu)缺點，對超寬壓鐵路電源方案進行對比與總結(jié)。

二、設(shè)計難點

在全球主流的鐵路系統(tǒng)控制中，多數(shù)國家的內(nèi)部控制所需供電電壓含24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。這將導(dǎo)致電源模塊無法歸一化應(yīng)用，增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計的難度和管理成本。

根據(jù)EN50155鐵路電源標準要求，直流電源模塊在供電電壓波動范圍內(nèi)需穩(wěn)定為后端設(shè)備提供能量，即使出現(xiàn)電壓最大變化量的波動，電源模塊應(yīng)正常輸出并保護后端設(shè)備的穩(wěn)定進行。從下圖可看出，EN50155標準要求電源設(shè)備穩(wěn)定工作的電壓波動范圍在0.7倍至1.25倍，即16.8V~137.5V，而超出波動范圍至0.6倍和1.4倍只要求工作時間為100ms和1s。為了滿足全球鐵路系統(tǒng)供電需求和認證要求，超寬壓電源模塊的輸入范圍設(shè)計為14V~160V。

圖1 鐵路電源電壓設(shè)計標準要求

同時，鑒于鐵路系統(tǒng)具備高可靠性要求，在供電被切斷后，需滿足后端設(shè)備可進行掉電狀態(tài)數(shù)據(jù)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滿足掉電保持10ms的功能。

三、傳統(tǒng)方案：輸入端并聯(lián)電解電容

傳統(tǒng)方案上，掉電延時功能通常采用輸入端并聯(lián)電解電容來實現(xiàn)。

圖2 傳統(tǒng)方案示意圖

根據(jù)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，那么相同電容值C的情況下掉電保持時間t就越長，反之，輸入電壓越低，則相同條件下存儲的能量就會越小，掉電保持時間就越短，而電壓變化量呈平方差值關(guān)系更是加劇了這一現(xiàn)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(tǒng)應(yīng)用，電容的容值將非常大，如24V系統(tǒng)，100W功率，實現(xiàn)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

為解決以上的問題，行業(yè)內(nèi)常用的方案是根據(jù)客戶不同的應(yīng)用系統(tǒng)，推薦不同耐壓的外圍電容，但這將導(dǎo)致客戶系統(tǒng)無法歸一化，失去了超寬壓電源模塊設(shè)計的初衷，增加客戶系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)方案，現(xiàn)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?shù)蛪狠斎霑r，升壓電路把低輸入電壓升至設(shè)定高壓值給外置儲能電容充電；當高壓輸入時，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足掉電延時功能。出現(xiàn)輸入電壓被切斷的情況時，外置儲能電容可以繼續(xù)給后級提供能量實現(xiàn)掉電保持時間。

圖5 兩級拓撲電路圖-外加小電路

由于是兩級串聯(lián)，導(dǎo)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說，兩級串聯(lián)的電路拓撲復(fù)雜度大大增加，一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性，同時成本大幅度增加，而這些最終的不利因素也將轉(zhuǎn)移到終端客戶；

②兩級串聯(lián)方案較于單級充電方案的整機效率將降低，從而帶來大功率電源和系統(tǒng)的溫升升高，降低了電源和系統(tǒng)的壽命。

五、主流方案②：單級拓撲加被動式降壓

相較于兩級拓撲，為了提升效率和可靠性，近年來出現(xiàn)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(shè)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，提供存儲的能量給后端維持10ms的掉電保持時間。在輸入電壓高于22V時，掉電延時功能是正常執(zhí)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，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(diào)欠壓點超過22V的系統(tǒng)時，由于儲能電容電壓跟隨輸入電壓，就會出現(xiàn)直至產(chǎn)品關(guān)斷都無法觸發(fā)24V充電閾值，導(dǎo)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：主動式掉電保持電路

金升陽利用自主IC的優(yōu)勢，發(fā)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(xiàn)電源統(tǒng)一且體積小型、外圍簡單且固定。

該電路包含能量預(yù)存儲模塊和輸入掉電自動切換模塊。能量預(yù)存儲模塊通過精準的設(shè)計和計算，實現(xiàn)電容體積最小化，能量存儲最大化；掉電自動切換模塊，能夠時時檢測輸入電壓的狀態(tài)，一旦輸入電壓被切斷，外置電容就會向主功率輸入端提供存儲的能量使產(chǎn)品繼續(xù)工作10ms，后端設(shè)備實現(xiàn)自動平穩(wěn)切換。

圖8 主動式掉電保持電路

同時，主動式掉電保持電路方案具有可編程欠壓保護，當客戶上調(diào)欠壓點以應(yīng)用于不同供電系統(tǒng)時，此方案可保障輸入電壓全范圍實現(xiàn)掉電保持10ms。

圖9 輸入欠壓保護的設(shè)置圖

這個技術(shù)成功應(yīng)用到金升陽的鐵路電源產(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(tǒng)；可實現(xiàn)掉電保持10ms，外圍簡單固定，僅需一顆470uF的電解電容；輸入欠壓保護只需調(diào)節(jié)外置電阻；并且滿足5000m海拔應(yīng)用，隔離耐壓3000VAC。

七、總結(jié)

鐵路電源方案并不唯一，那如何選擇、設(shè)計合適的電源方案呢？設(shè)計能力較弱的，可以選擇傳統(tǒng)方案；對效率或掉電保持指標不太關(guān)注的，可以選擇常規(guī)拓撲；需要適應(yīng)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。

審核編輯：劉清