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干货分享 | 超宽压铁路电源方案的分析与对比

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。

关键词:超宽压;铁路电源;主动式掉电保持电路;外围简单固定

 

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。


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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。


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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。

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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)。


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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。


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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。


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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。


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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。


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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。

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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。


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图7 不同输入电压下的掉电保持功能


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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。


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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。


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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。


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图10 金升阳超宽压铁路电源


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七、总结

铁路电源方案并不唯一,那如何选择、设计合适的电源方案呢?设计能力较弱的,可以选择传统方案;对效率或掉电保持指标不太关注的,可以选择常规拓扑;需要适应各种工况,喜欢集成度更高的,可以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降低成本与体积,提升系统寿命,同时降低系统设计难度,加速认证时间,最终物料归一,有效降低管理成本。


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详细产品技术参数请参考技术手册:
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UWTH1D12QB-100WFR3 100 110(14-160) 12 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D12QB-100WR3 100 110(14-160) 12 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*12.70
UWTH1D12QB-100WR3 100 110(14-160) 12 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D15QB-100WFR3 100 110(14-160) 15 1 3000VAC DIP 62.00*56.00*14.50
UWTH1D15QB-100WHR3 100 110(14-160) 15 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D15QB-100WR3 100 110(14-160) 15 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*12.70
UWTH1D24QB-100WFR3 100 110(14-160) 24 1 3000VAC DIP 62.00*56.00*14.50
UWTH1D24QB-100WHR3 100 110(14-160) 24 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D24QB-100WR3 100 110(14-160) 24 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*12.70
UWTH1D28QB-100WFR3 100 110(14-160) 28 1 3000VAC DIP 62.00*56.00*14.50
UWTH1D28QB-100WHR3 100 110(14-160) 28 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D28QB-100WR3 100 110(14-160) 28 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*12.70
UWTH1D48QB-100WFR3 100 110(14-160) 48 1 3000VAC DIP 62.00*56.00*14.50
UWTH1D48QB-100WHR3 100 110(14-160) 48 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D48QB-100WR3 100 110(14-160) 48 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*12.70
UWTH1D54QB-100WFR3 100 110(14-160) 54 1 3000VAC DIP 62.00*56.00*14.50
UWTH1D54QB-100WHR3 100 110(14-160) 54 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*25.40
UWTH1D54QB-100WR3 100 110(14-160) 54 1 3000VAC DIP 57.90*36.80*12.70
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