DC/DC轉(zhuǎn)換器保持時間的處理方案

具有內(nèi)置保持電路的轉(zhuǎn)換器減小了輸入電容器的尺寸和要求。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常設計為即使輸入電源出現(xiàn)短暫中斷也能保持輸出。這種輸出保持的持續(xù)時間通常由跨接在轉(zhuǎn)換器輸入端子上的外部電容器的值設置。但是，某些類型的轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在具有專用的保持電容器連接（總線引腳）。該方案最多可節(jié)省93%的外部電容器成本，同時還可將其體積減少多達93%。

案例研究有助于說明該方法的好處。以（輕型）軌道車輛上使用的乘客信息系統(tǒng)的電源為例。輕軌應用可能會經(jīng)歷長時間的電源電壓中斷。鐵路應用的EN 50155標準——機車車輛闡明了鐵路車輛電子設備的操作、設計和測試要求。由于其對“惡劣”環(huán)境條件的全面考慮，EN50155通常被考慮用于加固工業(yè)應用的設計。這包括在長達20毫秒的電源電壓中斷期間繼續(xù)運行，這在電池供電應用中很常見。

在中斷期間，輸入可能會短路。電源必須來自（外部）保持電容器組。保持電路的設計和電容器組的尺寸設計是整個應用設計過程的重要部分。

輕軌乘客信息系統(tǒng)通常包括一個小屏幕、一臺現(xiàn)場計算機和網(wǎng)絡外圍設備，例如工業(yè)以太網(wǎng)和/或IEEE 802.11無線通信。40W的電源通常足以滿足這些需求。直流電源的重要電氣要求包括提供行業(yè)標準的24、48、96和110-V電池系統(tǒng)電壓以及高和低輸入電壓限制、最大瞬態(tài)輸入電壓和電源中斷的最長持續(xù)時間可以處理。

使用帶有專用保持電容器連接（“總線引腳”）的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時保持電路的簡化電路圖。

我們將考慮涉及三種不同保持電路的三種情況。場景A展示了使用還包含專用保持電容器連接的電源。方案B使用類似的12:1超寬輸入電壓范圍產(chǎn)品，其中不包括專用低壓保持電容器電路。場景C展示了一個基于最先進的4:1寬輸入電壓范圍DC/DC轉(zhuǎn)換器的參考設計，該轉(zhuǎn)換器也不包含專用的保持電容器連接。

在所有三種情況下，保持電容器組的大小都不同。在場景A中，正常操作通過 DC/DC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路為保持電容器充電。如果電源電壓中斷，專用保持電路會自動將電源從輸入鉗位切換到外部保持電容器。DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入端的二極管可防止電源電壓意外反轉(zhuǎn)損壞轉(zhuǎn)換器，并防止保持電容器組向主電源放電。

最小保持電容C1 = C h,min的計算公式如下

? ：η wc=滿載時的dc/dc轉(zhuǎn)換器功率轉(zhuǎn)換效率，V uvlo=轉(zhuǎn)換器可以正常運行的最低輸入電壓，V h,nom =正常工作期間保持電容的充電電壓，P nom=dc/dc轉(zhuǎn)換器標稱功率，T hold=保持時間，秒。包含一個1.5的系數(shù)以說明組件公差和其他非理想情況。

得益于擴展保持功能，V h,nom在正常工作期間對于所有標稱輸入電壓都是恒定的21.4V。這允許應用設計人員使用V c1,rated額定電壓為25V的低壓電容器來存儲能量。V c1,rated僅略高于 V h,nom這一事實強調(diào)了設計的有效性。根據(jù) EN 50155的要求，即使在最低標稱電壓下發(fā)生中斷，也可以達到保持時間。

? 簡化電路圖說明了當DC/DC轉(zhuǎn)換器沒有專用保持電路時保持電容器組的連接。

方案B采用包含保持電容器、兩個二極管和電阻器R1的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入電路。在正常操作期間，保持電容器通過電阻器充電。在電源電壓中斷的情況下，保持電容器將其存儲的能量通過其中一個二極管提供給DC/DC轉(zhuǎn)換器。另一個二極管可防止轉(zhuǎn)換器在輸入電壓意外反轉(zhuǎn)時損壞。

R1的選擇代表了限制浪涌電流和最小化電容器組的（再）充電時間之間的權(quán)衡。最小保持電容 C 2 = C h,min是根據(jù)

其中變量代表與等式一中相同的實體的位置來計算的。由于沒有專用的保持電路，保持電容器電壓 V h,nom跟隨輸入電壓，因此V h,nom = V nom,min = 24V。電容器組必須針對最大（瞬態(tài)）輸入電壓設計V h,rated ≥V in,max≥154V。處理高輸入電壓的需要是傳統(tǒng)設計的一個重大缺陷。為了為安全操作提供緩沖，可能會指定額定值為200V的V h 。

轉(zhuǎn)向場景3，具有12:1超寬輸入電壓范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器最近才上市。因此，我們將考慮使用具有4:1寬輸入電壓范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器的最先進設計。有限的輸入電壓范圍迫使使用三個不同的DC/DC轉(zhuǎn)換器，每個標稱系統(tǒng)電壓一個。但保持電路的設計方法實際上與方案B中的相同。

? 所有三種情況的設計能量、電容器成本、電容器數(shù)量和體積的比較。點擊圖片放大。

測試表明，由于其專用的保持電容器連接，方案A轉(zhuǎn)換器 ( Traco Power TEP 40UIR ) 可以使用比方案B中所需的小93%的外部保持電容器，同時保持電容器成本也有類似的降低。與場景C（4:1 寬輸入電壓范圍DC/DC轉(zhuǎn)換器）相比，場景A的電容器體積最多可減少36%，成本最多可降低25%，同時可將裝配變體的數(shù)量從三種減少到一種。

輕型（軌道）車輛乘客信息系統(tǒng)電源電路關(guān)鍵要求。

雖然為清楚起見，本比較中的要求和設計決策已被簡化，但它們準確地反映了克服直流電源電壓短時中斷的核心工程挑戰(zhàn)。然而值得注意的是，這些場景提出了基于理想操作條件和理想組件質(zhì)量的理論考慮。

? 用于應對電源電壓中斷的電容器組的尺寸和設計。

當然，實際應用需要額外的輸入濾波器、散熱考慮等等。合規(guī)指南和（技術(shù)）法規(guī)也可能影響設計。公差、老化和環(huán)境條件可能需要它們自己的風險管理措施。不同的電路變體（例如，輸入電壓的主動轉(zhuǎn)換）需要不同的設計方法。

總而言之，當使用方案A中的轉(zhuǎn)換器時，例如Traco Power TEP 40UIR DC/DC轉(zhuǎn)換器，應用工程師可以節(jié)省高達93%的保持電容器成本，并將保持電容器的體積減少多達與沒有專用保持電路的方法相比，減少了93%。開發(fā)人員還可以減少工程、認證、測試、組裝、改裝、庫存、維護和支持成本。 ?

　　審核編輯：湯梓紅