超宽压铁路电源方案的分析与对比_技术

【导读】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。

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。

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、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16.8V~137.5V，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14V~160V。

图1 铁路电源电压设计标准要求

同时，鉴于铁路系统具备高可靠性要求，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①：两级拓扑

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，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：

①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；

②两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②：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。