處理 DC/DC 轉(zhuǎn)換器保持時(shí)間的更好方法

DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)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(shí)還可將其體積減少多達(dá) 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(yīng)用可能會(huì)經(jīng)歷長時(shí)間的電源電壓中斷。鐵路應(yīng)用的EN 50155 標(biāo)準(zhǔn)——機(jī)車車輛闡明了鐵路車輛電子設(shè)備的操作、設(shè)計(jì)和測試要求。由于其對“惡劣”環(huán)境條件的全面考慮，EN 50155 通常被考慮用于加固工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)。這包括在長達(dá) 20 毫秒的電源電壓中斷期間繼續(xù)運(yùn)行，這在電池供電應(yīng)用中很常見。

在中斷期間，輸入可能會(huì)短路。電源必須來自（外部）保持電容器組。保持電路的設(shè)計(jì)和電容器組的尺寸設(shè)計(jì)是整個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)過程的重要部分。

輕軌乘客信息系統(tǒng)通常包括一個(gè)小屏幕、一臺(tái)現(xiàn)場計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)外圍設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(gè)基于最先進(jìn)的 4:1 寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì)，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(huì)自動(dòng)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 C 1 = C h,min的計(jì)算公式如下

： η wc = 滿載時(shí)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(yùn)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(biāo)稱功率，T hold = 保持時(shí)間，秒。包含一個(gè) 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(kuò)展保持功能，V h,nom在正常工作期間對于所有標(biāo)稱輸入電壓都是恒定的 21.4 V。這允許應(yīng)用設(shè)計(jì)人員使用 V c1,rated額定電壓為 25 V 的低壓電容器來存儲(chǔ)能量。V c1,rated僅略高于 V h,nom這一事實(shí)強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)的有效性。根據(jù) EN 50155 的要求，即使在最低標(biāo)稱電壓下發(fā)生中斷，也可以達(dá)到保持時(shí)間。

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

方案 B 采用包含保持電容器、兩個(gè)二極管和電阻器 R 1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(chǔ)的能量通過其中一個(gè)二極管提供給 dc/dc 轉(zhuǎn)換器。另一個(gè)二極管可防止轉(zhuǎn)換器在輸入電壓意外反轉(zhuǎn)時(shí)損壞。

R 1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(shí)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(shí)體的位置來計(jì)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 = 24 V。電容器組必須針對最大（瞬態(tài)）輸入電壓設(shè)計(jì)V h,rated ≥V in,max≥154 V。處理高輸入電壓的需要是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重大缺陷。為了為安全操作提供緩沖，可能會(huì)指定額定值為 200 V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(jìn)設(shè)計(jì)。有限的輸入電壓范圍迫使使用三個(gè)不同的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，每個(gè)標(biāo)稱系統(tǒng)電壓一個(gè)。但保持電路的設(shè)計(jì)方法實(shí)際上與方案 B 中的相同。

所有三種情況的設(shè)計(jì)能量、電容器成本、電容器數(shù)量和體積的比較。點(diǎn)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(shí)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(shí)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 點(diǎn)擊圖片放大。

雖然為清楚起見，本比較中的要求和設(shè)計(jì)決策已被簡化，但它們準(zhǔn)確地反映了克服直流電源電壓短時(shí)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(yīng)對電源電壓中斷的電容器組的尺寸和設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊圖片放大。

當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)。公差、老化和環(huán)境條件可能需要它們自己的風(fēng)險(xiǎn)管理措施。不同的電路變體（例如，輸入電壓的主動(dòng)轉(zhuǎn)換）需要不同的設(shè)計(jì)方法。

總而言之，當(dāng)使用方案 A 中的轉(zhuǎn)換器時(shí)，例如Traco Power TEP 40UIR dc/dc 轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用工程師可以節(jié)省高達(dá) 93% 的保持電容器成本，并將保持電容器的體積減少多達(dá)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(rèn)證、測試、組裝、改裝、庫存、維護(hù)和支持成本。