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

與傳統(tǒng)設(shè)計相比，使用帶總線引腳的 12:1 DC/DC轉(zhuǎn)換器，可達到延長保持時間的作用，因而兼具技術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(shè)計的吸引力，我們基于實際應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)的 12:1 超寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及先進的 4:1 寬輸入電壓范圍 DC/DC 轉(zhuǎn)換器相比，性能更好。

2 引言

EN 50155 標(biāo)準(zhǔn) ?[1] 制定了軌道車輛上電子設(shè)備的操作、設(shè)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(jīng)常用于設(shè)計堅固耐用的工業(yè)應(yīng)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(shè)計和電容器組的尺寸標(biāo)注是整個應(yīng)用設(shè)計過程的重要組成部分。

3 案例研究：延長保持時間的設(shè)計

本案例研究中，一家原始設(shè)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(wǎng)絡(luò)外圍設(shè)備（如工業(yè)以太網(wǎng)和/或 IEEE 802.11 無線通信）供電。

3.1 直流電源的關(guān)鍵要求

列出了直流電源最重要的電氣要求。標(biāo)稱輸入電壓包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 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(shè)計。所選的 Traco Power TEP 40UIR 轉(zhuǎn)換器支持在整個輸入電壓范圍內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)換器的參考設(shè)計，該轉(zhuǎn)換器同樣無專用的保持電容器連接。這種設(shè)計有效地產(chǎn)生了具有三種不同保持電路的總共三種不同設(shè)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(biāo)注

直流電源能否經(jīng)受住電源電壓的短暫中斷取決于保持電路的正確設(shè)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(shè)計和尺寸標(biāo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的內(nèi)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(zhuǎn)換器在電源電壓意外反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器滿載時的功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)稱輸入電壓，該電壓都是恒定的 ：

這使得應(yīng)用設(shè)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(diào)了設(shè)計的有效性。依據(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。二極管 D_1 可防止轉(zhuǎn)換器在輸入電壓意外反轉(zhuǎn)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(quán)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(zhuǎn)換器滿載時的最差功率轉(zhuǎn)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_UVLO 表示轉(zhuǎn)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(dǎo)致

電容器組的設(shè)計必須滿足最大（瞬態(tài)）輸入電壓

以上說明了傳統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的一流設(shè)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(shè)計通道，從而產(chǎn)生了三種不同的裝配變體（每個標(biāo)稱系統(tǒng)電壓對應(yīng)其中一種）。
因保持電路的主要設(shè)計方法與方案 B 中概述的設(shè)計方法幾乎相同，此處不再重復(fù)。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(jié)果

圖 1 顯示了本研究的主要結(jié)果。三種方案中，單個應(yīng)用的總電容器設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器（方案 B）設(shè)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(zhuǎn)換器（方案 C）的最先進解決方案相比，參考設(shè)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(zhuǎn)換器，單一電源設(shè)計即可涵蓋多個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用尺寸。

4.1 假設(shè)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(yīng)用。雖然為了盡可能全面地討論主要結(jié)果，案例中的要求和設(shè)計決策已經(jīng)簡化，但其仍準(zhǔn)確地反映了設(shè)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(yīng)當(dāng)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(yīng)用要求可能是合同規(guī)定或技術(shù)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(shù)）規(guī)定可能會影響設(shè)計和尺寸，從而影響本研究的結(jié)果，應(yīng)用工程師應(yīng)始終考慮到這一點。強烈建議在設(shè)計過程中充分尊重公差、老化和環(huán)境條件，并進行適當(dāng)?shù)娘L(fēng)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(shè)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(guān)內(nèi)容。

表格 1：輕型（軌道）車輛乘客信息系統(tǒng)電源電路的關(guān)鍵要求。

		方案 A	方案 B	方案 C
應(yīng)用		乘客信息系統(tǒng)
設(shè)計通道		單一		多個
保持連接		專用	輸入
電源轉(zhuǎn)換器		TEP 40UIR	競品 A	競品 B
輸出功率		40W	40W	40W	40W	40W
最低標(biāo)稱輸入電壓		24V	24V	24V	48V	96V
最高標(biāo)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(shè)計

		方案 A	方案 B	方案 C
最差功率轉(zhuǎn)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(jié)論

本白皮書討論了 Traco Power 的最新 12:1 超寬輸入電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的延長保持時間功能（“總線引腳”）如何在典型應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換器時，與基于競爭產(chǎn)品的無專用保持電路解決方案相比，應(yīng)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(zhuǎn)換器與 4:1 寬輸入電壓范圍的一流產(chǎn)品比較時，優(yōu)勢更加明顯。使用 TEP 40UIR，應(yīng)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(shè)計安全連接多個電池系統(tǒng)電壓。因此，應(yīng)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。