直流輸電線路若發(fā)生短路，會(huì)導(dǎo)致供電電壓降至零，直到熔斷器（保險(xiǎn)絲）或斷路器（circuit breaker）動(dòng)作阻斷故障為止。對(duì)于許多鐵路系統(tǒng)，EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)要求在供電電壓中斷 10 毫秒（ms，代號(hào) S2）或 20 毫秒（ms，代號(hào) S3）期間，系統(tǒng)仍須保持連續(xù)運(yùn)行，如圖 2 所示。

圖 2：EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的供電中斷情況，Un = 額定供電電壓（見圖 1）

供電中斷與連續(xù)運(yùn)行要求

其他采用直流電網(wǎng)（DC grids）或滑觸線（導(dǎo)電軌，conductor rails）的應(yīng)用也可能會(huì)遇到供電中斷的情況，因此與鐵路應(yīng)用類似，都需要掉電維持（hold-up）解決方案來確保系統(tǒng)能夠連續(xù)運(yùn)行。

維持電容的容量計(jì)算與傳統(tǒng)方法的局限性

儲(chǔ)存在電容中的能量公式為 E = ? C x U2，若要計(jì)算所需的電容容量，可以使用以下公式：

C = 電容值，單位為法拉（Farads）

Pout = 輸出負(fù)載，單位為瓦特（Watts）

t = 所需的維持時(shí)間，單位為秒（seconds）

η = 變換器效率（converter efficiency）

Vnom = 額定供電電壓（supply voltage）

VUVLO = 欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓

因此，許多客戶會(huì)選擇最簡(jiǎn)單的解決方案：在 DC/DC 變換器的輸入端直接并聯(lián)一個(gè)更大的電容和一個(gè)二極管。當(dāng)供電中斷時(shí)，該二極管可以防止儲(chǔ)存在電容中的能量倒流回電網(wǎng)系統(tǒng)（如圖 3 所示）。

圖 3 ：通過增大輸入電容并加裝二極管以防止能量倒流的掉電維持電路

讓我們用以下數(shù)據(jù)來計(jì)算一個(gè)具體示例：

輸出負(fù)載為 100W、變換器效率為 88%、所需的維持時(shí)間為 10ms、額定電壓（公稱電壓）為 24V，且欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓為 12V：

重要注意事項(xiàng)：

此計(jì)算并未將電解電容的容值公差（tolerances）以及因老化導(dǎo)致的容量衰減（degrading with age）納入考量。在挑選電容時(shí)，請(qǐng)務(wù)必將這些因素考慮在內(nèi)。

當(dāng)設(shè)計(jì)一款必須在完整列車電壓范圍（14.4V – 154V）內(nèi)工作的電源（電源供應(yīng)器）時(shí)，該電容的額定耐壓（rated voltage）必須達(dá)到 200V。

一顆典型的 680μF/200V 電容尺寸為 22mm(?) x 55mm，若將常見的 -20% 容值公差代入公式計(jì)算，總共需要將 11 顆電容進(jìn)行并聯(lián)。

在一個(gè) 100W 的變換器輸入端加上大約 6000μF 或更多的電容，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了為了穩(wěn)定運(yùn)行和快速瞬態(tài)保護(hù)（fast transient protection）所通常建議的 150 - 300μF。

這也引發(fā)了該解決方案的另一個(gè)重大缺陷：這些直接并聯(lián)在輸入線路上的巨大電容，會(huì)產(chǎn)生更高且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的浪涌電流（inrush currents）。

在沒有額外配置主動(dòng)式浪涌電流限制電路（active inrush current limiting circuit）的情況下，這會(huì)導(dǎo)致連接器與開關(guān)過載，并造成斷路器跳閘（如圖 4 所示）。

圖 4：在 DC/DC 變換器輸入端并聯(lián)更大的維持電容會(huì)導(dǎo)致浪涌電流增加

專利 Bus 引腳掉電維持（Hold-up）架構(gòu)：在不增加浪涌電流的情況下縮小尺寸

博大（P-DUKE）設(shè)計(jì)了一種專利解決方案，使客戶能在超過 20 毫秒的供電電壓跌落期間維持系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)不會(huì)增加浪涌電流，且所需電容容量大幅減少。該方案采用具備超寬輸入電壓范圍的 DC/DC 模塊，并在模塊內(nèi)集成了充電電路，用于為連接至 Bus 引腳的獨(dú)立維持電容充電（見圖 5）。

圖 5：博大（P-DUKE）專利備份電路的基本原理圖

工作原理與關(guān)鍵設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

讓我們深入探討此電路的細(xì)節(jié)與優(yōu)勢(shì)：

這些模塊具備超寬的輸入電壓范圍，可涵蓋從 14.4V 到 154V 的所有可能列車電壓，因此單一模塊即可適用于所有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

Bus 引腳（Bus pin）提供 21.4V 的固定電壓來為外部維持電容充電。

當(dāng)遇到供電電壓中斷時(shí)，儲(chǔ)存在該電容中的能量會(huì)通過 D2 傳送至 DC/DC 變換器的輸入端，使其持續(xù)運(yùn)行。

進(jìn)行與先前示例相同的計(jì)算，并將跨越 D2 的 0.7V 電壓降（voltage drop）納入考量，所需的電容值將為：

通過引入一個(gè)系數(shù) k（范圍自 1.3 至 1.5）來補(bǔ)償 D2 的電壓降與電解電容公差，可以使該公式得到簡(jiǎn)化。此結(jié)果雖然大于我們第一次的計(jì)算數(shù)值，
但由于 Bus 引腳的電壓被限制在 21.4V，因此無論面對(duì)何種不同的輸入電壓，皆可統(tǒng)一使用額定耐壓為 25V 的電容。一顆典型的 6800μF/25V 電容尺寸僅為 16mm(?) x 40mm，且在將 -20% 的容差納入考量后，總共只需要兩顆電容。
與第一個(gè)使用 11 顆 200V 耐壓電容的示例相比，其體積縮減了 90% 以上，由于僅需 2 顆電容，這同時(shí)也降低了物料與生產(chǎn)成本。隨著單一解決方案即可涵蓋完整的列車電壓范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的成本降低（如圖 6 所示）。

圖 6：?jiǎn)我唤鉀Q方案即可涵蓋所有列車電壓范圍

該專利電路除了在所需維持電容的體積與成本上帶來顯著節(jié)省之外，還具有另一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)：無論增加多少電容值，都不會(huì)提高浪涌電流。
這是因?yàn)檫@些電容并未直接連接到輸入電源線上，而是通過模塊內(nèi)部的限流充電電路進(jìn)行充電（見圖 7）。

圖 7：在博大（P-DUKE）變換器的 Bus 引腳加入維持電容，不會(huì)增加浪涌電流

博大科技的 RCD10U-K、RCD20U-K、RED40U-K 以及 QAE垂直系列（QAEXXU-K）產(chǎn)品均提供此 Bus 引腳設(shè)計(jì)；其中在 QAE 系列中，二極管 D2 已經(jīng)集成于模塊內(nèi)部。

有關(guān)此專利電路的更多詳細(xì)信息、對(duì)比圖表和最大電容值，請(qǐng)參閱博大科技的應(yīng)用筆記。

為了讓客戶更輕松地挑選電容，本文件亦包含了簡(jiǎn)化的維持電容（Chold-up）計(jì)算公式。這些公式已將公差以及部分安全裕度（safety margins）納入考量，以確保在所有工況下皆能達(dá)到所需的維持時(shí)間。

圖 8：針對(duì)不同產(chǎn)品系列的維持電容簡(jiǎn)化計(jì)算方法

應(yīng)用案例

以下通過兩個(gè)實(shí)際案例，說明客戶如何采用博大科技的專利解決方案，成功實(shí)現(xiàn)顯著的空間與成本節(jié)省：

案例 1：鐵路以太網(wǎng)交換機(jī)

起初，客戶希望找到一種最簡(jiǎn)單的解決方案，為多種鐵路以太網(wǎng)交換機(jī)供電，這些設(shè)備需要 24V 輸出，功率分別為 40W、60W 和 100W。輸入電壓范圍從 14.4V 到 154V，且所有設(shè)備都必須符合 S3 規(guī)范，也就是至少需要 20ms 的維持時(shí)間（hold-up time）。

由于可用空間有限，因此無法在變換器輸入端使用大型維持電容以及所需 accompanied 的浪涌電流限制電路。

通過選用博大的 QAE40-72S24U-K、QAE60-72S24U-K 和 QAE100-72S24U-K，成功找到了一種在維持電容方面占用空間最小的解決方案。

另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于：

所有模塊均采用相同的 1/4 磚（1/4 Brick）封裝尺寸，因此可以設(shè)計(jì)單一的 PCB 布局（Layout）來適配所有不同的電容配置。根據(jù)所需功率，只需在 PCB 上焊接相應(yīng)的模塊與電容即可（見圖 9）。

圖 9：以太網(wǎng)交換機(jī)解決方案，可涵蓋三種不同的功率需求

案例 2：鐵路微控制器電源

得益于在空間與成本方面具有顯著的節(jié)省，客戶也重新設(shè)計(jì)了其微控制器板（單片機(jī)板）的電源方案，該系統(tǒng)需求為 5V / 20W。

博大科技的 RCD20-72S05U-K 同樣提供 Bus 引腳用于為維持電容充電，但由于模塊內(nèi)部空間有限，無法同時(shí)集成二極管 D2（見圖 10）。

圖 10：使用 RCD20-72S05U-K 的微控制器供電

如果需要為 CPU、控制板或顯示板提供其他電源電壓，客戶只需更換模塊，即可獲得最高達(dá) 24V 的單路輸出或雙路輸出電壓。

案例 3：智能工廠機(jī)器人控制系統(tǒng)

如前所述，并非只有鐵路應(yīng)用才會(huì)面臨較長(zhǎng)的供電電壓跌落。

在本案例中，一家設(shè)計(jì)智能工廠機(jī)器人控制系統(tǒng)的客戶聯(lián)系了博大（P-DUKE），并提出了以下需求：

輸入電壓： 24Vdc（18 – 36V）或 48Vdc（36 – 72V），具備高達(dá) 10ms 的中斷時(shí)間

輸出： 12V / 60W

尺寸（體積）是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵決定因素

客戶最初計(jì)劃使用 RED60 系列中的兩款 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器，分別為適用于 24V 輸入的 RED60-24S12W，以及適用于 48V 輸入的 RED60-48S12W，并考慮在模塊輸入端并聯(lián)大型電容，以滿足供電中斷期間的能量維持需求。然而，此方法不僅會(huì)增加系統(tǒng)體積，還可能帶來浪涌電流及相關(guān)保護(hù)設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性。

針對(duì)上述需求，我們建議采用 QAE60-XXXXU-K 系列模塊，該系列具備寬輸入電壓范圍及 Bus 引腳設(shè)計(jì)，可支持外接維持電容并通過內(nèi)部電路進(jìn)行受控充電。

該系列提供兩種額定輸入電壓規(guī)格：36Vnom（9–75V）與 72Vnom（14–160V）。在本應(yīng)用中，36Vnom 模塊的 9–75V 輸入范圍已可完整涵蓋系統(tǒng)需求，因此適合作為單一解決方案。

此外，36Vnom 模塊的最低工作電壓可低至 9V（電容計(jì)算時(shí)采用 8.1V 的 UVLO 閾值），相較于 72Vnom 模塊 14V 的最低輸入電壓，前者可在電容放電過程中利用更寬的電壓范圍，從而在維持時(shí)間設(shè)計(jì)上提供更大的設(shè)計(jì)裕量（margin）。此特性有助于降低所需的電容容量，進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積并優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。

此特性亦反映在維持電容（Chold-up）計(jì)算表中較小的乘數(shù)系數(shù)上

下表顯示了各種不同方案的電容值。正如預(yù)期的那樣，采用 QAE60-36S12U 可實(shí)現(xiàn)最小的電容容量需求，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)整體解決方案尺寸的最小化。

圖 11：使用各種 DC/DC 模塊的維持電容對(duì)比

與前述示例類似，本案例亦通過單一模塊與單一電容，即可實(shí)現(xiàn)同時(shí)涵蓋兩種輸入電壓范圍的解決方案（見圖 12）。
除了有效縮小系統(tǒng)體積外，在生產(chǎn)與物流（供應(yīng)鏈）方面也帶來了明顯的成本節(jié)省。

圖 12：涵蓋 24V 與 48V 供電電壓并提供 10ms 維持時(shí)間的機(jī)器人控制器解決方案

總結(jié)

博大科技的專利電路使客戶能夠在不增加浪涌電流、不觸發(fā)斷路器跳閘，且不使電纜和連接器過載的情況下，實(shí)現(xiàn)超過 20 毫秒（ms）的長(zhǎng)維持時(shí)間。

通過使用額定耐壓 25V 的電容，搭配單一具備超寬輸入范圍的 DC/DC 變換器模塊，即可涵蓋鐵路、工業(yè)或電信應(yīng)用中的所有額定（公稱）輸入電壓。

本文僅介紹了基本原理與三個(gè)應(yīng)用案例，若您正在規(guī)劃相關(guān)應(yīng)用或?qū)で笞罴言O(shè)計(jì)方案，歡迎聯(lián)系博大應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)，獲取最合適的技術(shù)建議

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