工業(yè)和鐵路系統(tǒng)中采用多電壓供電,這使得電源模塊無(wú)法通過(guò)歸一化來(lái)實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間保護(hù),增加了客戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和管理成本。今天我們給工程師分享金升陽(yáng)超寬電壓范圍和電容歸一化應(yīng)用案例,并提供原廠(chǎng)免費(fèi)樣片申請(qǐng)。
超寬輸入范圍的鐵路電源解決方案案例
全球工業(yè)和主流鐵路系統(tǒng)均采用多電壓設(shè)備供電,它使得電源模塊無(wú)法通過(guò)歸一化來(lái)實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間保護(hù),增加了客戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和管理成本。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,MORNSUN發(fā)明了一種主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路,以兼容超寬電壓輸入范圍和電容歸一化。
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電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
在全球工業(yè)和主流的鐵路控制系統(tǒng)中,像德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、印度等大多數(shù)國(guó)家的電源電壓都要求內(nèi)部控制系統(tǒng),以容納 24V、28V、36V、48V、72V、96V、110V 電壓。因此,一個(gè)電源無(wú)法歸一化到多個(gè)系統(tǒng),這增加了客戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和管理成本。
為了滿(mǎn)足超寬輸入電壓范圍,電源模塊的輸入范圍最好設(shè)計(jì)成 14 V~160 V。同時(shí),鐵路系統(tǒng)有很高的可靠性要求,要求后端設(shè)備能夠存儲(chǔ)保持時(shí)間狀態(tài)數(shù)據(jù),并在電源切斷 后有序地切換到備用電源。因此,需要在電源模塊的前端設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)能電容器,以維持 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。
傳統(tǒng)解決方案
在傳統(tǒng)的解決方案中,保持時(shí)間保護(hù)一般是通過(guò)在輸入端并聯(lián)一個(gè)電解電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
電解電容器是保護(hù)保持時(shí)間的傳統(tǒng)解決方案(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
由于電源的輸入電壓范圍很寬,而外部?jī)?chǔ)能電容器是根據(jù)最大輸入電壓來(lái)選擇的,所以電容的電容值就必須很大,這樣才能與低壓系統(tǒng)的應(yīng)用相適應(yīng)。如:對(duì)于最大輸入電壓達(dá) 160 V、功率為 100 W 的情形,儲(chǔ)能電容器的電容值約為 190μF,可實(shí)現(xiàn) 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。然而,如果與 24 V 系統(tǒng)兼容,電容將達(dá)到 8000 μF,外部?jī)?chǔ)能電容器的物理尺寸將更大(約為四分之一磚電源模塊的 3.8 倍)。
顯示輸出電壓所需外部?jī)?chǔ)能電容的圖形和圖表(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
鐵路行業(yè)常見(jiàn)的解決方案是根據(jù)客戶(hù)不同的應(yīng)用系統(tǒng)推薦不同耐壓的外部?jī)?chǔ)能電容器,以解決上述問(wèn)題。但這將導(dǎo)致客戶(hù)的系統(tǒng)無(wú)法歸一化,從而違背超寬輸入范圍電源模塊的設(shè)計(jì)初衷,增加了客戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、材料管理成本和認(rèn)證成本。
主流解決方案
①兩段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
現(xiàn)在,市場(chǎng)上的主流解決方案是兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。前級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用升壓電路,后級(jí)是常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如反激、半橋或全橋電路。外部?jī)?chǔ)能電容器放置在兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間。
主流兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
當(dāng)出現(xiàn)低輸入電壓時(shí),它將被升壓電路提升到設(shè)定的高電壓值,以便為外部?jī)?chǔ)能電容器充電。當(dāng)出現(xiàn)高輸入電壓時(shí),它將穿過(guò)升壓電路并直接對(duì)外部?jī)?chǔ)能電容器充電。因此,在這個(gè)方案中,可以選擇耐壓大、電容小的電解儲(chǔ)能電容器。這可以持續(xù)給后級(jí)供電,以實(shí)現(xiàn)輸入電壓被切斷時(shí)所需的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。
兩級(jí)拓?fù)浞桨傅睦c弊(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
②單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無(wú)源降壓
與兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,提高了效率和可靠性。
無(wú)源降壓主流方案(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
以市場(chǎng)上主流的降壓充電方案為例,當(dāng)提供輸入電壓 (>24 V) 且電路正常開(kāi)啟時(shí),降壓電壓會(huì)將輸入電壓鉗制在 22 V 的設(shè)定低電壓值,同時(shí)充電電路會(huì)同步給外部電容充電。當(dāng)輸入電壓降低到 22V 以下時(shí),外部電容器將通過(guò)二極管切換進(jìn)來(lái),向后端提供儲(chǔ)存的電力,從而保持 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)時(shí)間。所以當(dāng)輸入電壓高于 22V 時(shí),通常會(huì)執(zhí)行保持時(shí)間保護(hù)功能。此時(shí),系統(tǒng)只需要一個(gè)耐壓為 35 V 的 8000 μF 電解電容器。
然而,當(dāng)輸入電壓低于 22 V 時(shí),外部電容器的電壓與輸入電壓相同,其儲(chǔ)能將不足以維持10ms 的保持時(shí)間保護(hù)功能。當(dāng)客戶(hù)系統(tǒng)需要欠壓保護(hù)功能時(shí),如 48 V 的系統(tǒng),欠壓保護(hù)設(shè)定為 27 V,儲(chǔ)能電容器的充電電壓為 22 V,當(dāng)輸入端斷電時(shí),儲(chǔ)能電容器需要低于 22 V 才開(kāi)始放電,但 22 V 不足以開(kāi)啟電源的欠壓點(diǎn),那時(shí)系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉,這意味著保持時(shí)間保護(hù)功能失效。
單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) + 無(wú)源降壓解決方案的利與弊。(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
新技術(shù)升級(jí):主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路
MORNSUN 發(fā)明了一種主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路,使得電源模塊不僅具有超寬電壓范圍,而且實(shí)現(xiàn)了歸一化的電源,其特點(diǎn)是體積小,固定外圍電路簡(jiǎn)單,適用于各種鐵路系統(tǒng)。
該電路內(nèi)置了一個(gè)能量預(yù)存模塊和一個(gè)輸入保持時(shí)間自動(dòng)切換模塊。通過(guò)精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算,能量預(yù)存模塊可以最大限度地減少電容器的體積,并使能量存儲(chǔ)最大化。保持時(shí)間自動(dòng)切換模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入電壓的狀態(tài)。一旦輸入電壓被切斷,外部電容器將主動(dòng)給輸入端主電源供電,使產(chǎn)品繼續(xù)工作 10 ms,以便后端設(shè)備存儲(chǔ)保持時(shí)間狀態(tài)數(shù)據(jù)并切換到備用電源,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)的切換。
主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
同時(shí),主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路具有可編程的欠壓保護(hù)功能。當(dāng)客戶(hù)調(diào)整欠壓點(diǎn)以適用于不同的電源系統(tǒng)時(shí),該解決方案可以確保在全輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 10ms 的保持時(shí)間保護(hù)。
這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于 Mornsun 的鐵路電源,即 UWTH1DxxQB-100WR3 系列。該系列具有 14 - 160 VDC 的超寬輸入電壓范圍,滿(mǎn)足全球主流鐵路系統(tǒng)的輸入電壓要求;通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單、固定的外圍電路和一個(gè) 470 μF 的電解電容器,實(shí)現(xiàn)了 10 ms 的保持時(shí)間保護(hù)功能。輸入欠壓保護(hù)可以通過(guò)改變外部電阻來(lái)調(diào)節(jié),具有高達(dá) 5000 米的工作海拔,以及高達(dá) 4000 VAC 的隔離電壓。
UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 VDC 的超寬輸入電壓范圍(圖片來(lái)源:MORNSUN Power)
總結(jié):
如果工程師們對(duì)系統(tǒng)規(guī)格和認(rèn)證的要求較低,那么就可以選擇傳統(tǒng)的解決方案。此外,如果對(duì)能效指標(biāo)或保持時(shí)間保護(hù)功能的要求較低,也可以選擇傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決方案。另一個(gè)選擇是,如果想要一個(gè)適合各種工作條件的高集成度解決方案,那么就應(yīng)選擇更令人放心的主動(dòng)保持時(shí)間保護(hù)電路解決方案。
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