應用情境與電壓擾動情況

人們通常認為，電池供電系統的電源電壓只會在電池充滿和放電的電壓範圍之間波動。這其實只適用於簡單且小型低階的系統；然而，即便是汽車的 12V 供電系統（12V grid），在引擎啟動（cranking）期間電壓也會掉到 9 伏特或更低；若在引擎運轉時將電池斷開，電壓甚至可能飆升至 60 伏特以上（此現象稱為負載突降，load dump）。
在更複雜的系統中，例如火車或具有多個動態負載、連接器和長電纜的直流驅動（DC driven）機器人應用中，則會發生更顯著的電壓波動和驟降（voltage drops）。

符合 EN 50155（鐵道標準）的電壓容許範圍

如圖 1 所示，鐵路標準 EN 50155 規定了操作電壓範圍為額定電壓（Un）的 0.6 倍至 1.4 倍。此外，列車中的電池系統電壓還會受到多種因素影響，例如列車規模以及所處地區等。

圖 1 ：EN50155 為鐵路應用規範了額定電壓與允許的容差範圍
直流輸電線路（DC transmission lines）若發生短路，會導致供電電壓降至零，直到保險絲或斷路器（circuit breaker）動作為止。對於許多鐵道系統，EN 50155 規範要求在供電電壓中斷 10 毫秒（ms，代號 S2）或 20 毫秒（ms，代號 S3）期間，系統仍須保持連續運作，如圖2所示。

圖 2：EN 50155 規範的供電電壓中斷情況，Un = 額定供應電壓（見圖 1）

供電中斷與連續運作要求

其他使用直流電網（DC grids）或導電軌（conductor rails）的應用也可能會遇到供電中斷的情形，因此如同鐵道應用一樣，都需要維持時間（hold-up）解決方案來確保系統能夠連續運作。

維持電容的尺寸計算與傳統做法的限制

儲存在電容中的能量公式為 E = ½ C x U²，若要計算所需的電容容量，可以使用以下公式：

C = 電容值，單位為法拉（Farads）
Pout = 輸出負載，單位為瓦特（Watts）
t = 所需的維持時間，單位為秒（seconds）
η = 轉換器效率（converter efficiency）
Vnom = 供電電壓（supply voltage）
VUVLO = 欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓

因此，許多客戶會選擇最簡單的解決方案：在 DC/DC 轉換器的輸入端直接增加一個更大的電容和一個二極體。
當供電中斷時，該二極體可以防止儲存在電容中的能量倒流回系統中（如圖 3 所示）

圖 3 ：使用較大輸入電容與二極體阻止反向能量流的保持電路

讓我們用以下數據來計算一個範例：
輸出負載為 100W、轉換器效率為 88%、所需的維持時間為 10ms、公稱電壓為 24V，且欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓為 12V：

重要注意事項：

此計算並未將電解電容的公差（tolerances）以及因老化造成的容量衰減（degrading with age）納入考量。
在挑選電容時，請務必將這些因素考慮在內。
當設計一款必須在完整列車電壓範圍（14.4V – 154V）內工作的電源供應器時，該電容的額定耐壓（rated voltage）必須達到 200V，一顆典型的 680µF/200V 電容尺寸為 22mm(Ø) x 55mm，若將常見的 -20% 容值公差代入公式計算，總共需要將 11 顆電容進行並聯。
在一個 100W 的轉換器輸入端加上大約 6000µF 或更多的電容，已遠遠超過了為了穩定運作和快速瞬態保護（fast transient protection）所通常建議的 150 - 300µF。
這引發了該解決方案的另一個重大缺陷：這些直接連接在輸入線路上的巨大電容，會產生更高且持續時間更長的湧浪電流（inrush currents）。在沒有額外配置主動式湧浪電流限制電路（active inrush current limiting circuit）的情況下，這會導致連接器與開關過載，並造成斷路器跳脫（如圖 4 所示）。

圖 4：在 DC/DC 轉換器輸入端增加更大的維持電容會使湧浪電流增加

專利 Bus Pin 保持（Hold-up）架構：在不增加浪湧電流的情況下縮小尺寸

P-DUKE 設計了一種專利解決方案，使客戶能在超過 20 毫秒的供電電壓下降期間維持系統運作，同時不會增加浪湧電流，且所需電容大幅減少。此方案採用具備超寬輸入電壓範圍的 DC/DC 模組，並在模組內整合充電電路，用於為連接至 Bus 腳位的獨立保持電容充電（見圖 5）。

圖 5：P-DUKE 專利備援電路的基本原理圖

工作原理與關鍵設計優勢

讓我們深入探討此電路的細節與優勢：
這些模組具備超寬的輸入電壓範圍，可涵蓋從 14.4V 到 154V 的所有可能列車電壓，因此單一模組即可適用於所有不同的應用。
Bus 引腳（Bus pin）提供 21.4V 的固定電壓來為外部維持電容充電。
當遇到供電電壓中斷時，儲存在該電容中的能量會透過 D2 傳送至 DC/DC 轉換器的輸入端，使其持續運作。
進行與先前範例相同的計算，並將跨越 D2 的 0.7V 電壓降（voltage drop）納入考量，所需的電容值將為：

透過引入一個係數 k（範圍自 1.3 至 1.5）來補償 D2 的電壓降與電解電容公差，可以使該公式得到簡化。
此結果雖然大於我們第一次的計算數值，但由於 Bus 引腳的電壓被限制在 21.4V，因此無論面對何種不同的輸入電壓，皆可統一使用額定耐壓為 25V 的電容。一顆典型的 6800µF/25V 電容尺寸僅為 16mm(Ø) x 40mm，且在將 -20% 的容差納入考量後，總共只需要兩顆電容。
與第一個使用 11 顆 200V 耐壓電容的範例相比，其體積縮減了 90% 以上，由於僅需 2 顆電容，這同時也降低了物料與生產成本。
隨著單一解決方案即可涵蓋完整的列車電壓範圍，進而實現了進一步的成本降低（如圖 6 所示）。

圖 6：單一解決方案即可涵蓋所有列車電壓範圍

該專利電路除了在所需保持電容的體積與成本上帶來顯著節省之外，還具有另一項重要優勢：無論增加多少電容值，都不會提高浪湧電流。
這是因為這些電容並未直接連接到輸入電源線上，而是透過模組內部的限流充電電路進行充電（見圖 7）。

圖 7：在 P-DUKE 轉換器的 Bus 腳位加入保持電容，不會增加浪湧電流

P-DUKE 的 RCD10U-K、RCD20U-K、RED40U-K 以及 QAEXXU-K 系列產品均提供此 Bus 腳位設計；其中在 QAE 系列中，二極體 D2 已經整合於模組內部。

有關此專利電路的更多詳細資訊、比較圖表和最大電容器值，請參閱 P-DUKE 的應用說明。

為了讓客戶更輕鬆地挑選電容，本文件亦包含了簡化的維持電容（Chold-up）計算公式。
這些公式已將公差以及部分安全裕度（safety margins）納入考量，以確保在所有情況下皆能達到所需的維持時間。

圖 8：針對不同產品系列的保持電容簡化計算方法

應用範例

以下透過兩個實際案例，說明客戶如何採用 P-DUKE 的專利解決方案，成功達到顯著的空間與成本節省：

範例 1：鐵路乙太網路交換器

一開始，客戶希望找到一種最簡單的解決方案，為多種鐵路乙太網路交換器供電，這些設備需要 24V 輸出，功率分別為 40W、60W 和 100W。輸入電壓範圍從 14.4V 到 154V，且所有裝置都必須符合 S3 規範，也就是至少需要 20ms 的保持時間（hold-up time）。
由於可用空間有限，因此無法在轉換器輸入端使用大型保持電容以及所需的浪湧電流限制電路。
透過選用 P-DUKE 的QAE40-72S24U-K 、QAE60-72S24U-K、 QAE100-72S24U-K成功找到了一種在保持電容方面佔用空間最小的解決方案。
另一個重要優勢是：
所有模組均採用相同的 1/4 磚（1/4 Brick）尺寸，因此可以設計單一 PCB 佈局來適用所有不同的電容配置。根據所需功率，只需在 PCB 上安裝相應的模組與電容即可（見圖 9）。

圖 9：乙太網路交換器解決方案，可涵蓋三種不同的功率需求

範例 2：鐵路微控制器電源

由於在空間與成本方面具有顯著的節省，客戶也重新設計了其微控制器板的電源方案，該系統需求為 5V / 20W。
P-DUKE 的 RCD20-72S05U-K 同樣提供 Bus 腳位用於為保持電容充電，但由於模組內部空間有限，無法同時整合二極體 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，客戶只需更換模組，即可獲得最高達 24V 的單輸出或雙輸出電壓。

範例 3：智慧工廠機器人控制系統

如前所述，不只有鐵道應用會面臨較長的供電電壓驟降。
在本範例中，一家設計智慧工廠機器人控制系統的客戶聯繫了 P-DUKE，並提出以下需求：

輸入電壓：24Vdc (18 – 36V) 或 48Vdc (36 – 72V)，具備高達 10ms 的中斷時間
輸出：12V/60W
尺寸是本設計的關鍵決定因素

客戶最初計劃使用 RED60 系列中的兩款 DC/DC 轉換器，分別為適用於 24V 輸入的 RED60-24S12W，以及適用於 48V 輸入的 RED60-48S12W，並考慮在模組輸入端增加大型電容，以滿足供電中斷期間的能量維持需求。然而，此方法不僅增加系統體積，也可能帶來浪湧電流及相關保護設計的複雜性。
針對上述需求，P-DUKE 建議採用 QAE60-XXXXU-K 系列模組，此系列具備寬輸入電壓範圍及 Bus 腳位設計，可支援外接保持電容並透過內部電路進行受控充電。
該系列提供兩種額定輸入電壓規格：36Vnom（9–75V）與 72Vnom（14–160V）。在本應用中，36Vnom 模組之輸入範圍 9–75V 已可完整涵蓋系統需求，因此適合作為單一解決方案。

此外，36Vnom 模組的最低工作電壓可低至 9V（電容計算時採用 8.1V 之 UVLO 閾值），相較於 72Vnom 模組之最低輸入電壓 14V，前者可在電容放電過程中利用更寬的電壓範圍，從而在保持時間設計上提供更大的設計餘裕（margin）。此特性有助於降低所需電容容量，進一步減少系統體積並優化整體設計。