一、前言

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全球主流铁路系统采用多电压供电，导致电源模块无法集成，实现电源故障维护功能，增加了客户应用系统的设计难度和管理成本。为了兼容超宽全电压输入范围和电容集成，金盛阳采用独立的方式IC其优点发明了一种主动断电保持电路。通过分析市场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了比较和总结。

关键词:超宽压；铁路电源；主动断电保持电路；外围简单固定

二、设计难点

在全球主流铁路系统控制中，大多数国家内部控制所需的电源电压为24V、28V、36V、48V、72V、96V和110V。这将导致电源模块无法集成应用，增加客户系统设计的难度和管理成本。

根据ENGeneSiC代理根据50155年铁路电源标准，DC电源模块需要在电源电压波动范围内稳定地为后端设备提供能量。即使电压变化最大，电源模块也应正常输出，以保护后端设备的稳定性。从下图可以看出，EN50155标准要求电源设备稳定工作的电压波动范围为0.7倍至1.25倍，即16倍.8V~137.5V，超出波动范围的0.6倍和1.4倍只需要100的工作时间ms和1s。超宽压电源模块的输入范围设计为14，以满足全球铁路系统的供电需求和认证要求V~160V。

图1 铁路电源电压设计标准要求

同时，鉴于铁路系统的高可靠性要求，切断电源后，需要满足后端设备可以存储断电状态数据并有序切换到备用电源，因此电源模块前端需要储能电容来满足断电10ms的功能。

三、传统方案:输入并联电解电容器

在传统方案中，输入端并联电解电容通常实现掉电延迟功能。

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可以看出，输入电压U越高，储存的能量W越多，相同电容值C的电源维护时间T越长，相反，输入电压越低，储存在相同条件下的能量越小，电源维护时间越短，电压变化为平方差加剧了这种现象。

由于电源输入电压非常宽，如果根据最高输入电压选择外部能量存储电容，电容值将非常大，如24V系统，100W功率保持10ms，电容容值需8000uF，按160V外部储能电容的最大输入电压将非常大(约为砖电源模块四分之一的3.8倍)。

图3 不同输入电压下所需的电容值

为了解决上述问题，行业中常用的解决方案是根据客户的不同应用系统推荐不同的耐压外围电容器，但这将导致客户系统无法集成，失去超宽压电源模块设计的初衷，增加客户系统设计的难度、材料管理成本和认证成本。

四、主流方案①：两级拓扑

抛弃传统方案，市场主流方案采用两级拓扑。前拓扑采用Boost升压电路，后部为反激、半桥或全桥电路等正常拓扑，外部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，升压电路将低输入电压升至设定的高压值，给外部储能电容器充电；当高压输入时，升压电路直接通过，高输入电压直接给外部储能电容器充电，使电解电容器具有较大的耐压性和较小的容量值，以满足断电延迟功能。当输入电压切断时，外部储能电容器可以继续为后代提供能量，以实现断电。

图5 两级拓扑电路图-外加小电路

由于是两级串联，整机效率低，不适合高功率密度产品；外部储能电容作为Boost电路的容性负载不能直接添加到输出端，需要在模块外增加小电路和大电容，以防止启动不良。

该方案有两个缺陷：

①与单级充电方案相比，两级串联电路拓扑的复杂性大大提高，系统的可靠性和成本大大降低，这些最终的不利因素也将转移到终端客户；

②与单级充电方案相比，两级串联方案的整机效率将降低，从而提高大功率电源和系统的温度，降低电源和系统的使用寿命。

五、主流方案②：单级拓扑加被动降压

与两级拓扑相比，近年来出现了单级拓扑加被动降压方案，以提高效率和可靠性。

图6 主流方案2示意图-单级被动降压方案

以某个品牌的某个型号为例，当输入电压正常建立时，降压电路将输入电压钳低压值22V，此时24V给外部电容充电电路；当输入电压降至22时V下面，外部电容器将通过二极管切入，为后端提供存储能量10ms停电时间。输入电压高于22V掉电延迟功能正常执行，只需一个35V耐压8000uF电解电容。

但输入电压不足22V当外部电容电压跟随输入电压时，无法储存能量，电源故障；不仅如此，当更换到需要提高的欠压点超过22时V在系统中，由于储能电容电压跟随输入电压，直到产品关闭才能触发24V充电阈值导致功能故障。

图7 不同输入电压下的断电保持功能

六、技术新升级:主动掉电保持电路

金升阳利用自主权IC优点是发明了主动断电保持电路，使电源模块能够满足超宽压，实现统一的电源，体积小，外围简单固定。

该电路包括能量预存储模块和输入电源自动切换模块。能量预存储模块通过精确的设计和计算实现电容体积最小化和能量存储最大化；电源自动切换模块可以随时检测输入电压状态。一旦输入电压被切断，外部电容器将为主功率输入端提供存储能量，使产品继续工作10ms，自动平稳切换后端设备。

图8 主动断电保持电路

同时，主动断电保持电路方案具有可编程欠压保护。当客户在不同的供电系统中提高欠压点时，该方案可以保证输入电压的全范围，并保持10ms。

图9 输入欠压保护设置图

该技术已成功应用于金升阳铁路电源产品，UWTH1DxxQB-100WR3系列。超宽压输入14-16系列VDC，适用于全球主流输入电压的铁路系统；可实现10次断电ms，外围简单固定，只需470颗uF电解电容器；输入欠压保护只需调整外部电阻；并满足5万m海拔应用，隔离耐压3万VAC。

图10 金升阳超宽压铁路电源

七、总结

铁路电源方案不是唯一的，那么如何选择和设计合适的电源方案呢？如果设计能力弱，可以选择传统方案；如果不太注意效率或断电指标，可以选择常规拓扑；需要适应各种工况，如集成度较高，可以选择更省心的主动断电维护电路方案。

随着行业需求的增加和技术需求的增加，产品更新和迭代的速度也越来越快。金盛阳在满足功能的前提下，努力追求高效、高可靠性。其超宽压铁路电源方案帮助客户降低成本和体积，提高系统寿命，降低系统设计难度，加快认证时间，有效降低管理成本。

详见技术手册：UWTH1D_QB-100W(H/F)R3