干货分享 超宽压铁路电源方案的分析与对比

　　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，利用自主IC的优势发明了一种主动式掉电保持电路。本文通过一系列分析市面上几种常见

　　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，增加了客户系统模块设计的难度和管理成本。

　　根据EN50155铁路电源规定要求，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规定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倍只要求上班时间为100ms和1s。为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。

　　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。

　　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）。

　　为解决以上的问题，行业内常用的方案是按照每个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，增加客户系统模块设计的难度、物料管理成本和认证费用。

　　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。

　　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，这样做才能够使用大耐压，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，外置储能电容能够继续给后级提供能量实现掉电保持时间。

　　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。

　　①对比单级充电方案来说，两级串联的电路拓扑复杂度大幅度提升，某些特定的程度上降低了系统的可靠性，同时成本大幅度增加，而这些最终的坏因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。

　　相较于两级拓扑，为提升效率和可靠性，近年来出现了单级拓扑加被动式降压方案。

　　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没办法触发24V充电阈值，导致掉电保持功能失效。

　　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。

　　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。

　　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。

　　铁路电源方案并不唯一，那如何明智的选择、设计合适的电源方案呢？设计能力较弱的，可以再一次进行选择传统方案；对效率或掉电保持指标不太关注的，可以再一次进行选择常规拓扑；需要适应任何工况，喜欢集成度更高的，可以再一次进行选择更省心的主动式掉电保持电路方案。

　　随着行业需求量的增大和技术方面的要求的增高，产品更新迭代的速度也愈发直上。在满足功能的前提下，金升阳竭力追求高效率、高可靠性，其超宽压铁路电源方案帮助客户实现减少相关成本与体积，提升系统寿命，同时降低系统模块设计难度，加速认证时间，最终物料归一，大大降低管理成本。