【導讀】全(quan)球(qiu)主(zhu)流(liu)鐵(tie)路(lu)係(xi)統(tong)呈(cheng)現(xian)多(duo)電(dian)壓(ya)供(gong)電(dian)，導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)無(wu)法(fa)歸(gui)一(yi)化(hua)實(shi)現(xian)掉(diao)電(dian)保(bao)持(chi)功(gong)能(neng)
，增(zeng)加(jia)了(le)客(ke)戶(hu)應(ying)用(yong)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)難(nan)度(du)和(he)管(guan)理(li)成(cheng)本(ben)。為(wei)兼(jian)容(rong)超(chao)寬(kuan)全(quan)電(dian)壓(ya)輸(shu)入(ru)範(fan)圍(wei)和(he)電(dian)容(rong)歸(gui)一(yi)化(hua)，金(jin)升(sheng)陽(yang)利(li)用(yong)自(zi)主(zhu)IC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

全(quan)球(qiu)主(zhu)流(liu)鐵(tie)路(lu)係(xi)統(tong)呈(cheng)現(xian)多(duo)電(dian)壓(ya)供(gong)電(dian)，導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)無(wu)法(fa)歸(gui)一(yi)化(hua)實(shi)現(xian)掉(diao)電(dian)保(bao)持(chi)功(gong)能(neng)，增(zeng)加(jia)了(le)客(ke)戶(hu)應(ying)用(yong)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)難(nan)度(du)和(he)管(guan)理(li)成(cheng)本(ben)。為(wei)兼(jian)容(rong)超(chao)寬(kuan)全(quan)電(dian)壓(ya)輸(shu)入(ru)範(fan)圍(wei)和(he)電(dian)容(rong)歸(gui)一(yi)化(hua)
，金(jin)升(sheng)陽(yang)利(li)用(yong)自(zi)主(zhu)IC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EN50155tieludianyuanbiaozhunyaoqiu
，zhiliudianyuanmokuaizaigongdiandianyabodongfanweineixuwendingweihouduanshebeitigongnengliang，jishichuxiandianyazuidabianhualiangdebodong

，dianyuanmokuaiyingzhengchangshuchubingbaohuhouduanshebeidewendingjinxing。congxiatukekanchu
，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(chi)10ms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；當dang高gao壓ya輸shu入ru時shi
，升sheng壓ya電dian路lu直zhi通tong
，高gao輸shu入ru電dian壓ya直zhi接jie給gei外wai置zhi儲chu能neng電dian容rong充chong電dian，這zhe樣yang可ke以yi使shi用yong大da耐nai壓ya

，小xiao容rong值zhi的de電dian解jie電dian容rong滿man足zu掉diao電dian延yan時shi功gong能neng。出chu現xian輸shu入ru電dian壓ya被bei切qie斷duan的de情qing況kuang時shi，外wai置zhi儲chu能neng電dian容rong可ke以yi繼ji續xu給gei後hou級ji提ti供gong能neng量liang實shi現xian掉diao電dian保bao持chi時shi間jian。

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(zuo)10ms，後端設備實現自動平穩切換。

圖8 主動式掉電保持電路

tongshi，zhudongshidiaodianbaochidianlufanganjuyoukebianchengqianyabaohu，dangkehushangtiaoqianyadianyiyingyongyubutonggongdianxitongshi
，cifangankebaozhangshurudianyaquanfanweishixiandiaodianbaochi10ms。

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
、高gao可ke靠kao性xing

，其qi超chao寬kuan壓ya鐵tie路lu電dian源yuan方fang案an幫bang助zhu客ke戶hu實shi現xian降jiang低di成cheng本ben與yu體ti積ji

，提ti升sheng係xi統tong壽shou命ming，同tong時shi降jiang低di係xi統tong設she計ji難nan度du，加jia速su認ren證zheng時shi間jian，最zui終zhong物wu料liao歸gui一yi
，有you效xiao降jiang低di管guan理li成cheng本ben。

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