12:1 DC/DC轉換器可達到延長保持時間的作用兼具技術上和商業(yè)上的雙重優(yōu)勢

與傳統(tǒng)設計相比，使用帶總線引腳的 12:1 DC/DC轉換器，可達到延長保持時間的作用，因而兼具技術上和商業(yè)上的雙重優(yōu)勢

"Traco Power的新型 12:1超寬輸入電壓范圍 DC/DC轉換器，具有延長保持時間的功能，可節(jié)省成本和電路板空間"

1 執(zhí)行摘要

Traco Power 新系列 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器的一大特點就是具有專用的保持電容器連接（“總線引腳”）。這項新功能可使應用工程師節(jié)省高達 93% 的外部電容器成本，同時縮小高達 93% 的體積。與傳統(tǒng)解決方案相比，通過將設計通道數(shù)量從 3 個減少為 1 個，工程、認證、測試、裝配、再加工、庫存、維護以及支持工作已降至最低限度。

為了證明該設計的吸引力，我們基于實際應用進行了一項案例研究：一種用于（輕型）軌道車輛的乘客信息系統(tǒng)。該應用滿足了在 20ms 長的電源電壓中斷情況下行駛的要求，這可能在電池供電系統(tǒng)中很常見。研究表明，Traco Power 的新系列具備延長保持時間功能的 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器，與傳統(tǒng)的 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器以及先進的 4:1 寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器相比，性能更好。

2 引言

EN 50155 標準 ?[1] 制定了軌道車輛上電子設備的操作、設計和測試的重要要求。由于其綜合考慮了各種“惡劣”環(huán)境條件，EN 50155 經常用于設計堅固耐用的工業(yè)應用。包括在持續(xù)時間長達 T_h=20ms 的電源電壓中斷情況下繼續(xù)工作。

中斷期間，輸入可能短路。電源需由（外部）保持電容器組提供。保持電路設計和電容器組的尺寸標注是整個應用設計過程的重要組成部分。

3 案例研究：延長保持時間的設計

本案例研究中，一家原始設備制造商 (OEM) 開發(fā)了一種直流電源，可用于（輕型）軌道車輛上的低成本、高集成和輕量級乘客信息系統(tǒng)。該電源在 P_nom=40W 峰值功率下運行時，足以為一個小屏幕、一臺現(xiàn)場計算機和網絡外圍設備（如工業(yè)以太網和/或 IEEE 802.11 無線通信）供電。

3.1 直流電源的關鍵要求

列出了直流電源最重要的電氣要求。標稱輸入電壓包括工業(yè)標準 24V,48V,96V 和 110V 電池系統(tǒng)電壓。

為了縮短上市時間，并節(jié)省工程、制造和維護成本，OEM 選擇了單一電源接受所有輸入電壓的解決方案：

• 方案 A 介紹了最佳解決方案的參考設計。所選的 Traco Power TEP 40UIR 轉換器支持在整個輸入電壓范圍內以超過 40W 的額定功率連續(xù)運行。由于其具有專用的保持電容器連接，所需外部電容器組的體積和成本很小。

在本案例研究中，還分析了兩種備選方案：

• 方案 B 使用來自競爭對手的同類 12:1 超寬輸入電壓范圍產品。但該方案沒有專用的低壓保持電容器電路。
• 方案 C 呈現(xiàn)了基于先進的 4:1 寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器的參考設計，該轉換器同樣無專用的保持電容器連接。這種設計有效地產生了具有三種不同保持電路的總共三種不同設計通道，并最終組成三種裝配通道。

3.2 保持電容器組的尺寸標注

直流電源能否經受住電源電壓的短暫中斷取決于保持電路的正確設計和電容器組的適宜尺寸。接下來，我們將討論三種方案的所有設計和尺寸標注。

3.2.1 方案 A：

圖 1 展示了保持電容器組如何利用延長保持時間功能（“總線引腳”），連接到 DC/DC 轉換器的專用保持電路上。正常運行過程中，保持電容器可通過 DC/DC 轉換器的內部電路充電。如果電源電壓中斷，該電路會自動將電源由輸入夾切換至外部保持電容器。二極管 D_1 可防止 DC/DC 轉換器在電源電壓意外反轉時受到損害。同時還可以防止保持電容器組向主電源放電。

最小保持電容采用以下公式計算 ：

上述公式中，η_wc 表示 DC/DC 轉換器滿載時的功率轉換效率?？紤]到元件的公差和其他非理想情況，加入系數(shù) 1.5。變量 V_ULVO 表示轉換器能夠正常運行的最低輸入電壓。電壓 V_(h,nom) 是正常運行期間保持電容的充電電壓。得益于延長保持時間的功能，在正常運行時，對于所有標稱輸入電壓，該電壓都是恒定的 ：

這使得應用設計者可以選擇低成本的低壓電容器來儲存保持期間的能量，其額定電壓為

正如 ?[2] 中所建議的。注意該電壓僅略高于 V_(C1,nom)，這強調了設計的有效性。依據(jù) EN 50155 的要求，即使在最低標稱電壓下發(fā)生中斷，也可以達到保持時間。
3.2.2 方案 B：

圖 2 顯示了使用無專用保持電路的 DC/DC 轉換器時，保持電容器連接的簡易電路圖。正常運行過程中，保持電容器 C_1 可通過外部電阻 R_1 充電。如果電源電壓中斷，該保持電容器會通過二極管 D_2 將儲存的能量提供給 DC/DC 轉換器。二極管 D_1 可防止轉換器在輸入電壓意外反轉時受到損害。

R_1 的選擇體現(xiàn)了在限制涌流和最小化電容器組的(再)充電時間之間的權衡。最小保持電容采用以下公式計算 ：

上述公式中，η_wc 仍然表示 DC/DC 轉換器滿載時的最差功率轉換效率。考慮到元件的公差和其他非理想情況，加入系數(shù) 1.5。變量 V_UVLO 表示轉換器能夠正常運行的最低輸入電壓。由于缺乏專用保持電路，保持電容器電壓跟隨輸入電壓，導致

電容器組的設計必須滿足最大（瞬態(tài)）輸入電壓

以上說明了傳統(tǒng)設計的一項重大缺陷。為確保安全運行，我們選擇了 V_(h,rated)=200V 的電壓。?
3.2.3 方案 C：

目前 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器在市場上仍然相對較新，因此將其與使用 4:1 寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器的一流設計進行了比較。由于輸入電壓范圍有限，所以需要三種不同的設計通道，從而產生了三種不同的裝配變體（每個標稱系統(tǒng)電壓對應其中一種）。
因保持電路的主要設計方法與方案 B 中概述的設計方法幾乎相同，此處不再重復。對于該一流解決方案計算的保持電容和額定電壓，請參見 ?3.2.2 章節(jié)。

4 結果

圖 1 顯示了本研究的主要結果。三種方案中，單個應用的總電容器設計能量、總電容器成本、電容器數(shù)量和保持電容器組的總體積均已直觀展示。

得益于其專用保持電容器連接，Traco Power TEP 40UIR 轉換器（方案 A）相比無專用保持電路的傳統(tǒng) 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器（方案 B）設計，外部保持電容器體積和保持電容器成本均可總體減少 93%。

與基于 4:1 寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器（方案 C）的最先進解決方案相比，參考設計（方案 A）的優(yōu)勢更加明顯。使用 Traco Power TEP 40UIR，可將電容器體積減少高達 36%，總電容器成本減少高達 25%，同時裝配變體的數(shù)量由 3 個減少為 1 個。

也即，使用 Traco Power 的新系列具備延長保持時間功能（“總線引腳”）的 12:1 超寬輸入電壓范圍轉換器，單一電源設計即可涵蓋多個工業(yè)標準的電池系統(tǒng)電壓 (24V,48V,96V 和 110V），同時降低成本、減少重量及縮小應用尺寸。

4.1 假設與制約因素

本白皮書中討論的案例研究可視為一項實際應用。雖然為了盡可能全面地討論主要結果，案例中的要求和設計決策已經簡化，但其仍準確地反映了設計直流電源電壓短暫中斷期間持續(xù)運行方面的核心工程挑戰(zhàn)。

盡管如此，應當指出的是本白皮書提出了基于理想運行條件和理想元件特性的理論性思考。額外的應用要求可能是合同規(guī)定或技術要求的（如輸入過濾器和熱考量），須單獨評估。

合規(guī)指南和（技術）規(guī)定可能會影響設計和尺寸，從而影響本研究的結果，應用工程師應始終考慮到這一點。強烈建議在設計過程中充分尊重公差、老化和環(huán)境條件，并進行適當?shù)娘L險管理。不同的電路變體（例如，具備主動切換輸入電壓功能）需要不同的設計方法。

如上所述額外要求的詳細討論已超出本白皮書的范圍，因此為簡潔起見，省略其相關內容。

表格 1：輕型（軌道）車輛乘客信息系統(tǒng)電源電路的關鍵要求。

		方案 A	方案 B	方案 C
應用		乘客信息系統(tǒng)
設計通道		單一		多個
保持連接		專用	輸入
電源轉換器		TEP 40UIR	競品 A	競品 B
輸出功率		40W	40W	40W	40W	40W
最低標稱輸入電壓		24V	24V	24V	48V	96V
最高標稱輸入電壓		110V	110V	24V	48V	110V
最大（瞬態(tài)）輸入電壓		154V	154V	34V	67V	154V
輸出電壓		24V	24V	24V	24V	24V
中斷持續(xù)時間		20ms	20ms	20ms	20ms	20ms

表格 2：用于電源電壓中斷情況下行駛的電容器組尺寸和設計

		方案 A	方案 B	方案 C
最差功率轉換效率		90%
所需最小保持電容
最大欠壓鎖定閾值		14.4V	14.4V	8.8V	17.5V	42V
電容器額定電壓		25V	200V	50V	100V	200V
電容器		Nichicon UPW1E682MHD	Nichicon UPW2C471MRD	Nichicon UPW1H122MHD6	Nichicon UPW2A561MHD	Nichicon UPW2C221MRD6
并聯(lián)電容器數(shù)量		2	16	5	3	2
單個電容器成本		1.12$	1.91$	0.60$	0.69$	1.19$
總電容器體積（箱）		26cm^3	287cm^3	41cm^3	31cm^3	28cm^3
總電容器成本		2.25$	30.70$	2.99$	2.06$	2.37$

5 結論

本白皮書討論了 Traco Power 的最新 12:1 超寬輸入電壓 DC/DC 轉換器的延長保持時間功能（“總線引腳”）如何在典型應用中顯著減少無源元件的成本和體積。一項直流電源的參考設計已用于輕型（軌道）車輛乘客信息系統(tǒng)。使用 Traco Power TEP 40UIR DC/DC 轉換器時，與基于競爭產品的無專用保持電路解決方案相比，應用工程師可節(jié)省高達 93% 的保持電容器成本，并減少高達 93% 的保持電容器體積。

Traco Power 新系列 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉換器與 4:1 寬輸入電壓范圍的一流產品比較時，優(yōu)勢更加明顯。使用 TEP 40UIR，應用工程師不僅可節(jié)省高達 25% 的保持電容器成本以及減少高達 36% 的保持電容器體積，同時還可以通過單一設計安全連接多個電池系統(tǒng)電壓。因此，應用程序工程師也降低了工程、認證、測試、裝配、再加工、庫存、維護和支持成本。