应用场景与电压扰动情况

通常人们认为，电池供电系统的电源电压只会在电池满电和放电的电压区间内波动。这其实仅适用于简单且低端的小型系统；然而，即便是汽车的 12V 供电系统（12V电网），在发动机启动（cranking）期间电压也会跌落到 9 伏或更低；若在发动机运转时将电池断开，电压甚至可能飙升至 60 伏以上（这种现象被称为负载甩降，即 load dump）。在更复杂的系统中，例如火车，或具有多个动态负载、连接器和长电缆的直流驱动（DC driven）机器人应用中，则会发生更显著的电压波动和跌落（voltage drops）。

符合 EN 50155（铁路标准）的电压容许范围

如图 1 所示，铁路标准 EN 50155 规定了工作电压范围为额定电压（Un)的 0.6 倍至 1.4 倍。此外，列车中的电池系统电压还会受到多种因素的影响，例如列车规模以及所处地区等。

直流输电线路若发生短路，会导致供电电压降至零，直到熔断器（保险丝）或断路器（circuit breaker）动作阻断故障为止。对于许多铁路系统，EN 50155 标准要求在供电电压中断 10 毫秒（ms，代号 S2）或 20 毫秒（ms，代号 S3）期间，系统仍须保持连续运行，如图 2 所示。

图 2：EN 50155 标准规范的供电中断情况，Un = 额定供电电压（见图 1）

供电中断与连续运行要求

其他采用直流电网（DC grids）或滑触线（导电轨，conductor rails）的应用也可能会遇到供电中断的情况，因此与铁路应用类似，都需要掉电维持（hold-up）解决方案来确保系统能够连续运行。

维持电容的容量计算与传统方法的局限性

储存在电容中的能量公式为 E = ½ C x U²，若要计算所需的电容容量，可以使用以下公式：

C = 电容值，单位为法拉（Farads）
Pout = 输出负载，单位为瓦特（Watts）
t = 所需的维持时间，单位为秒（seconds）
η = 变换器效率（converter efficiency）
Vnom = 额定供电电压（supply voltage）
VUVLO = 欠压锁定（UVLO）阈值电压
因此，许多客户会选择最简单的解决方案：在 DC/DC 变换器的输入端直接并联一个更大的电容和一个二极管。当供电中断时，该二极管可以防止储存在电容中的能量倒流回电网系统（如图 3 所示）。

图 3 ：通过增大输入电容并加装二极管以防止能量倒流的掉电维持电路

让我们用以下数据来计算一个具体示例：
输出负载为 100W、变换器效率为 88%、所需的维持时间为 10ms、额定电压（公称电压）为 24V，且欠压锁定（UVLO）阈值电压为 12V：

重要注意事项：
此计算并未将电解电容的容值公差（tolerances）以及因老化导致的容量衰减（degrading with age）纳入考量。在挑选电容时，请务必将这些因素考虑在内。
当设计一款必须在完整列车电压范围（14.4V – 154V）内工作的电源（电源供应器）时，该电容的额定耐压（rated voltage）必须达到 200V。
一颗典型的 680µF/200V 电容尺寸为 22mm(Ø) x 55mm，若将常见的 -20% 容值公差代入公式计算，总共需要将 11 颗电容进行并联。
在一个 100W 的变换器输入端加上大约 6000µF 或更多的电容，这已远远超过了为了稳定运行和快速瞬态保护（fast transient protection）所通常建议的 150 - 300µF。
这也引发了该解决方案的另一个重大缺陷：这些直接并联在输入线路上的巨大电容，会产生更高且持续时间更长的浪涌电流（inrush currents）。
在没有额外配置主动式浪涌电流限制电路（active inrush current limiting circuit）的情况下，这会导致连接器与开关过载，并造成断路器跳闸（如图 4 所示）。

图 4：在 DC/DC 变换器输入端并联更大的维持电容会导致浪涌电流增加

专利 Bus 引脚掉电维持（Hold-up）架构：在不增加浪涌电流的情况下缩小尺寸

博大（P-DUKE）设计了一种专利解决方案，使客户能在超过 20 毫秒的供电电压跌落期间维持系统运行，同时不会增加浪涌电流，且所需电容容量大幅减少。该方案采用具备超宽输入电压范围的 DC/DC 模块，并在模块内集成了充电电路，用于为连接至 Bus 引脚的独立维持电容充电（见图 5）。

图 5：博大（P-DUKE）专利备份电路的基本原理图

工作原理与关键设计优势

让我们深入探讨此电路的细节与优势：
这些模块具备超宽的输入电压范围，可涵盖从 14.4V 到 154V 的所有可能列车电压，因此单一模块即可适用于所有不同的应用场景。
Bus 引脚（Bus pin）提供 21.4V 的固定电压来为外部维持电容充电。
当遇到供电电压中断时，储存在该电容中的能量会通过 D2 传送至 DC/DC 变换器的输入端，使其持续运行。
进行与先前示例相同的计算，并将跨越 D2 的 0.7V 电压降（voltage drop）纳入考量，所需的电容值将为：

通过引入一个系数 k（范围自 1.3 至 1.5）来补偿 D2 的电压降与电解电容公差，可以使该公式得到简化。此结果虽然大于我们第一次的计算数值，
但由于 Bus 引脚的电压被限制在 21.4V，因此无论面对何种不同的输入电压，皆可统一使用额定耐压为 25V 的电容。一颗典型的 6800µF/25V 电容尺寸仅为 16mm(Ø) x 40mm，且在将 -20% 的容差纳入考量后，总共只需要两颗电容。
与第一个使用 11 颗 200V 耐压电容的示例相比，其体积缩减了 90% 以上，由于仅需 2 颗电容，这同时也降低了物料与生产成本。随着单一解决方案即可涵盖完整的列车电压范围，进而实现了进一步的成本降低（如图 6 所示）。

图 6：单一解决方案即可涵盖所有列车电压范围

该专利电路除了在所需维持电容的体积与成本上带来显著节省之外，还具有另一项重要优势：无论增加多少电容值，都不会提高浪涌电流。
这是因为这些电容并未直接连接到输入电源线上，而是通过模块内部的限流充电电路进行充电（见图 7）。

图 7：在博大（P-DUKE）变换器的 Bus 引脚加入维持电容，不会增加浪涌电流

博大科技的 RCD10U-K、RCD20U-K、RED40U-K 以及 QAE垂直系列（QAEXXU-K）产品均提供此 Bus 引脚设计；其中在 QAE 系列中，二极管 D2 已经集成于模块内部。
有关此专利电路的更多详细信息、对比图表和最大电容值，请参阅博大科技的应用笔记。
为了让客户更轻松地挑选电容，本文件亦包含了简化的维持电容（Chold-up）计算公式。这些公式已将公差以及部分安全裕度（safety margins）纳入考量，以确保在所有工况下皆能达到所需的维持时间。

图 8：针对不同产品系列的维持电容简化计算方法

应用案例

以下通过两个实际案例，说明客户如何采用博大科技的专利解决方案，成功实现显著的空间与成本节省：

案例 1：铁路以太网交换机

起初，客户希望找到一种最简单的解决方案，为多种铁路以太网交换机供电，这些设备需要 24V 输出，功率分别为 40W、60W 和 100W。输入电压范围从 14.4V 到 154V，且所有设备都必须符合 S3 规范，也就是至少需要 20ms 的维持时间（hold-up time）。

由于可用空间有限，因此无法在变换器输入端使用大型维持电容以及所需 accompanied 的浪涌电流限制电路。

通过选用博大的 QAE40-72S24U-K、QAE60-72S24U-K 和 QAE100-72S24U-K，成功找到了一种在维持电容方面占用空间最小的解决方案。

另一个重要优势在于：
所有模块均采用相同的 1/4 砖（1/4 Brick）封装尺寸，因此可以设计单一的 PCB 布局（Layout）来适配所有不同的电容配置。根据所需功率，只需在 PCB 上焊接相应的模块与电容即可（见图 9）。

图 9：以太网交换机解决方案，可涵盖三种不同的功率需求

案例 2：铁路微控制器电源

得益于在空间与成本方面具有显著的节省，客户也重新设计了其微控制器板（单片机板）的电源方案，该系统需求为 5V / 20W。
博大科技的 RCD20-72S05U-K 同样提供 Bus 引脚用于为维持电容充电，但由于模块内部空间有限，无法同时集成二极管 D2（见图 10）。

图 10：使用 RCD20-72S05U-K 的微控制器供电

如果需要为 CPU、控制板或显示板提供其他电源电压，客户只需更换模块，即可获得最高达 24V 的单路输出或双路输出电压。

案例 3：智能工厂机器人控制系统

如前所述，并非只有铁路应用才会面临较长的供电电压跌落。
在本案例中，一家设计智能工厂机器人控制系统的客户联系了博大（P-DUKE），并提出了以下需求：

输入电压： 24Vdc（18 – 36V）或 48Vdc（36 – 72V），具备高达 10ms 的中断时间
输出： 12V / 60W
尺寸（体积）是本设计的关键决定因素

客户最初计划使用 RED60 系列中的两款 DC/DC 电源转换器，分别为适用于 24V 输入的 RED60-24S12W，以及适用于 48V 输入的 RED60-48S12W，并考虑在模块输入端并联大型电容，以满足供电中断期间的能量维持需求。然而，此方法不仅会增加系统体积，还可能带来浪涌电流及相关保护设计上的复杂性。

针对上述需求，我們建议采用 QAE60-XXXXU-K 系列模块，该系列具备宽输入电压范围及 Bus 引脚设计，可支持外接维持电容并通过内部电路进行受控充电。

该系列提供两种额定输入电压规格：36Vnom（9–75V）与 72Vnom（14–160V）。在本应用中，36Vnom 模块的 9–75V 输入范围已可完整涵盖系统需求，因此适合作为单一解决方案。

此外，36Vnom 模块的最低工作电压可低至 9V（电容计算时采用 8.1V 的 UVLO 阈值），相较于 72Vnom 模块 14V 的最低输入电压，前者可在电容放电过程中利用更宽的电压范围，从而在维持时间设计上提供更大的设计裕量（margin）。此特性有助于降低所需的电容容量，进一步减小系统体积并优化整体设计。

此特性亦反映在维持电容（Chold-up）计算表中较小的乘数系数上

下表显示了各种不同方案的电容值。正如预期的那样，采用 QAE60-36S12U 可实现最小的电容容量需求，并同时实现整体解决方案尺寸的最小化。

图 11：使用各种 DC/DC 模块的维持电容对比

与前述示例类似，本案例亦通过单一模块与单一电容，即可实现同时涵盖两种输入电压范围的解决方案（见图 12）。
除了有效缩小系统体积外，在生产与物流（供应链）方面也带来了明显的成本节省。

图 12：涵盖 24V 与 48V 供电电压并提供 10ms 维持时间的机器人控制器解决方案

总结

博大科技的专利电路使客户能够在不增加浪涌电流、不触发断路器跳闸，且不使电缆和连接器过载的情况下，实现超过 20 毫秒（ms）的长维持时间。
通过使用额定耐压 25V 的电容，搭配单一具备超宽输入范围的 DC/DC 变换器模块，即可涵盖铁路、工业或电信应用中的所有额定（公称）输入电压。
本文仅介绍了基本原理与三个应用案例，若您正在规划相关应用或寻求最佳设计方案，欢迎联系博大应用工程团队，获取最合适的技术建议>>立即咨询