工業(yè)和鐵路系統(tǒng)中采用多電壓供電，這使得電源模塊無法通過歸一化來實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間保護(hù)，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和管理成本。今天我們給工程師分享金升陽超寬電壓范圍和電容歸一化應(yīng)用案例，并提供原廠免費(fèi)樣片申請。

超寬輸入范圍的鐵路電源解決方案案例

全球工業(yè)和主流鐵路系統(tǒng)均采用多電壓設(shè)備供電，它使得電源模塊無法通過歸一化來實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間保護(hù)，增加了客戶應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和管理成本。針對這個(gè)問題，MORNSUN發(fā)明了一種主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路，以兼容超寬電壓輸入范圍和電容歸一化。

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電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

在全球工業(yè)和主流的鐵路控制系統(tǒng)中，像德國、美國、法國、印度等大多數(shù)國家的電源電壓都要求內(nèi)部控制系統(tǒng)，以容納 24V、28V、36V、48V、72V、96V、110V 電壓。因此，一個(gè)電源無法歸一化到多個(gè)系統(tǒng)，這增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和管理成本。

為了滿足超寬輸入電壓范圍，電源模塊的輸入范圍最好設(shè)計(jì)成 14 V~160 V。同時(shí)，鐵路系統(tǒng)有很高的可靠性要求，要求后端設(shè)備能夠存儲(chǔ)保持時(shí)間狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在電源切斷 后有序地切換到備用電源。因此，需要在電源模塊的前端設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)能電容器，以維持 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。

傳統(tǒng)解決方案

在傳統(tǒng)的解決方案中，保持時(shí)間保護(hù)一般是通過在輸入端并聯(lián)一個(gè)電解電容器來實(shí)現(xiàn)的。

電解電容器是保護(hù)保持時(shí)間的傳統(tǒng)解決方案（圖片來源：MORNSUN Power）

由于電源的輸入電壓范圍很寬，而外部儲(chǔ)能電容器是根據(jù)最大輸入電壓來選擇的，所以電容的電容值就必須很大，這樣才能與低壓系統(tǒng)的應(yīng)用相適應(yīng)。如：對于最大輸入電壓達(dá) 160 V、功率為 100 W 的情形，儲(chǔ)能電容器的電容值約為 190μF，可實(shí)現(xiàn) 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。然而，如果與 24 V 系統(tǒng)兼容，電容將達(dá)到 8000 μF，外部儲(chǔ)能電容器的物理尺寸將更大（約為四分之一磚電源模塊的 3.8 倍）。

顯示輸出電壓所需外部儲(chǔ)能電容的圖形和圖表（圖片來源：MORNSUN Power）

鐵路行業(yè)常見的解決方案是根據(jù)客戶不同的應(yīng)用系統(tǒng)推薦不同耐壓的外部儲(chǔ)能電容器，以解決上述問題。但這將導(dǎo)致客戶的系統(tǒng)無法歸一化，從而違背超寬輸入范圍電源模塊的設(shè)計(jì)初衷，增加了客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、材料管理成本和認(rèn)證成本。

主流解決方案

①兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)在，市場上的主流解決方案是兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。前級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用升壓電路，后級(jí)是常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如反激、半橋或全橋電路。外部儲(chǔ)能電容器放置在兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間。

主流兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案（圖片來源：MORNSUN Power）

當(dāng)出現(xiàn)低輸入電壓時(shí)，它將被升壓電路提升到設(shè)定的高電壓值，以便為外部儲(chǔ)能電容器充電。當(dāng)出現(xiàn)高輸入電壓時(shí)，它將穿過升壓電路并直接對外部儲(chǔ)能電容器充電。因此，在這個(gè)方案中，可以選擇耐壓大、電容小的電解儲(chǔ)能電容器。這可以持續(xù)給后級(jí)供電，以實(shí)現(xiàn)輸入電壓被切斷時(shí)所需的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。

兩級(jí)拓?fù)浞桨傅睦c弊（圖片來源：MORNSUN Power）

②單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無源降壓

與兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，提高了效率和可靠性。

無源降壓主流方案（圖片來源：MORNSUN Power）

以市場上主流的降壓充電方案為例，當(dāng)提供輸入電壓 (>24 V) 且電路正常開啟時(shí)，降壓電壓會(huì)將輸入電壓鉗制在 22 V 的設(shè)定低電壓值，同時(shí)充電電路會(huì)同步給外部電容充電。當(dāng)輸入電壓降低到 22V 以下時(shí)，外部電容器將通過二極管切換進(jìn)來，向后端提供儲(chǔ)存的電力，從而保持 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。所以當(dāng)輸入電壓高于 22V 時(shí)，通常會(huì)執(zhí)行保持時(shí)間保護(hù)功能。此時(shí)，系統(tǒng)只需要一個(gè)耐壓為 35 V 的 8000 μF 電解電容器。

然而，當(dāng)輸入電壓低于 22 V 時(shí)，外部電容器的電壓與輸入電壓相同，其儲(chǔ)能將不足以維持10ms 的保持時(shí)間保護(hù)功能。當(dāng)客戶系統(tǒng)需要欠壓保護(hù)功能時(shí)，如 48 V 的系統(tǒng)，欠壓保護(hù)設(shè)定為 27 V，儲(chǔ)能電容器的充電電壓為 22 V，當(dāng)輸入端斷電時(shí)，儲(chǔ)能電容器需要低于 22 V 才開始放電，但 22 V 不足以開啟電源的欠壓點(diǎn)，那時(shí)系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉，這意味著保持時(shí)間保護(hù)功能失效。

單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無源降壓解決方案的利與弊。（圖片來源：MORNSUN Power）

新技術(shù)升級(jí)：主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路

MORNSUN 發(fā)明了一種主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路，使得電源模塊不僅具有超寬電壓范圍，而且實(shí)現(xiàn)了歸一化的電源，其特點(diǎn)是體積小，固定外圍電路簡單，適用于各種鐵路系統(tǒng)。

該電路內(nèi)置了一個(gè)能量預(yù)存模塊和一個(gè)輸入保持時(shí)間自動(dòng)切換模塊。通過精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算，能量預(yù)存模塊可以最大限度地減少電容器的體積，并使能量存儲(chǔ)最大化。保持時(shí)間自動(dòng)切換模塊可以實(shí)時(shí)檢測輸入電壓的狀態(tài)。一旦輸入電壓被切斷，外部電容器將主動(dòng)給輸入端主電源供電，使產(chǎn)品繼續(xù)工作 10 ms，以便后端設(shè)備存儲(chǔ)保持時(shí)間狀態(tài)數(shù)據(jù)并切換到備用電源，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)的切換。

主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路（圖片來源：MORNSUN Power）

同時(shí)，主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路具有可編程的欠壓保護(hù)功能。當(dāng)客戶調(diào)整欠壓點(diǎn)以適用于不同的電源系統(tǒng)時(shí)，該解決方案可以確保在全輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)。

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于 Mornsun 的鐵路電源，即 UWTH1DxxQB-100WR3 系列。該系列具有 14 - 160 VDC 的超寬輸入電壓范圍，滿足全球主流鐵路系統(tǒng)的輸入電壓要求；通過一個(gè)簡單、固定的外圍電路和一個(gè) 470 μF 的電解電容器，實(shí)現(xiàn)了 10 ms 的保持時(shí)間保護(hù)功能。輸入欠壓保護(hù)可以通過改變外部電阻來調(diào)節(jié)，具有高達(dá) 5000 米的工作海拔，以及高達(dá) 4000 VAC 的隔離電壓。

UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 VDC 的超寬輸入電壓范圍（圖片來源：MORNSUN Power）

總結(jié)：

如果工程師們對系統(tǒng)規(guī)格和認(rèn)證的要求較低，那么就可以選擇傳統(tǒng)的解決方案。此外，如果對能效指標(biāo)或保持時(shí)間保護(hù)功能的要求較低，也可以選擇傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決方案。另一個(gè)選擇是，如果想要一個(gè)適合各種工作條件的高集成度解決方案，那么就應(yīng)選擇更令人放心的主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路解決方案。

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