工业多电压系统电源模块应用案例

工业和铁路系统中采用多电压供电，这使得电源模块无法通过归一化来实现保持时间保护，增加了客户应用系统的设计难度和管理成本。今天我们给工程师分享金升阳超宽电压范围和电容归一化应用案例，并提供原厂免费样片申请。

超宽输入范围的铁路电源解决方案案例

全球工业和主流铁路系统均采用多电压设备供电，它使得电源模块无法通过归一化来实现保持时间保护，增加了客户应用系统的设计难度和管理成本。针对这个问题，MORNSUN发明了一种主动保持时间保护电路，以兼容超宽电压输入范围和电容归一化。

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电路设计的难点

在全球工业和主流的铁路控制系统中，像德国、美国、法国、印度等大多数国家的电源电压都要求内部控制系统，以容纳 24V、28V、36V、48V、72V、96V、110V 电压。因此，一个电源无法归一化到多个系统，这增加了客户系统设计的难度和管理成本。

为了满足超宽输入电压范围，电源模块的输入范围最好设计成 14 V~160 V。同时，铁路系统有很高的可靠性要求，要求后端设备能够存储保持时间状态数据，并在电源切断 后有序地切换到备用电源。因此，需要在电源模块的前端设置一个储能电容器，以维持 10ms 的保持时间保护时间。

传统解决方案

在传统的解决方案中，保持时间保护一般是通过在输入端并联一个电解电容器来实现的。

电解电容器是保护保持时间的传统解决方案（图片来源：MORNSUN Power）

由于电源的输入电压范围很宽，而外部储能电容器是根据最大输入电压来选择的，所以电容的电容值就必须很大，这样才能与低压系统的应用相适应。如：对于最大输入电压达 160 V、功率为 100 W 的情形，储能电容器的电容值约为 190μF，可实现 10ms 的保持时间保护时间。然而，如果与 24 V 系统兼容，电容将达到 8000 μF，外部储能电容器的物理尺寸将更大（约为四分之一砖电源模块的 3.8 倍）。

显示输出电压所需外部储能电容的图形和图表（图片来源：MORNSUN Power）

铁路行业常见的解决方案是根据客户不同的应用系统推荐不同耐压的外部储能电容器，以解决上述问题。但这将导致客户的系统无法归一化，从而违背超宽输入范围电源模块的设计初衷，增加了客户系统设计难度、材料管理成本和认证成本。

主流解决方案

①两段式拓扑结构

现在，市场上的主流解决方案是两级拓扑结构。前级拓扑结构采用升压电路，后级是常见的拓扑结构，如反激、半桥或全桥电路。外部储能电容器放置在两级拓扑结构之间。

主流两级拓扑结构方案（图片来源：MORNSUN Power）

当出现低输入电压时，它将被升压电路提升到设定的高电压值，以便为外部储能电容器充电。当出现高输入电压时，它将穿过升压电路并直接对外部储能电容器充电。因此，在这个方案中，可以选择耐压大、电容小的电解储能电容器。这可以持续给后级供电，以实现输入电压被切断时所需的保持时间保护时间。

两级拓扑方案的利与弊（图片来源：MORNSUN Power）

②单级拓扑结构 + 无源降压

与两级拓扑结构相比，提高了效率和可靠性。

无源降压主流方案（图片来源：MORNSUN Power）

以市场上主流的降压充电方案为例，当提供输入电压 (>24 V) 且电路正常开启时，降压电压会将输入电压钳制在 22 V 的设定低电压值，同时充电电路会同步给外部电容充电。当输入电压降低到 22V 以下时，外部电容器将通过二极管切换进来，向后端提供储存的电力，从而保持 10ms 的保持时间保护时间。所以当输入电压高于 22V 时，通常会执行保持时间保护功能。此时，系统只需要一个耐压为 35 V 的 8000 μF 电解电容器。

然而，当输入电压低于 22 V 时，外部电容器的电压与输入电压相同，其储能将不足以维持10ms 的保持时间保护功能。当客户系统需要欠压保护功能时，如 48 V 的系统，欠压保护设定为 27 V，储能电容器的充电电压为 22 V，当输入端断电时，储能电容器需要低于 22 V 才开始放电，但 22 V 不足以开启电源的欠压点，那时系统就会关闭，这意味着保持时间保护功能失效。

单级拓扑结构 + 无源降压解决方案的利与弊。（图片来源：MORNSUN Power）

新技术升级：主动保持时间保护电路

MORNSUN 发明了一种主动保持时间保护电路，使得电源模块不仅具有超宽电压范围，而且实现了归一化的电源，其特点是体积小，固定外围电路简单，适用于各种铁路系统。

该电路内置了一个能量预存模块和一个输入保持时间自动切换模块。通过精确的设计和计算，能量预存模块可以最大限度地减少电容器的体积，并使能量存储最大化。保持时间自动切换模块可以实时检测输入电压的状态。一旦输入电压被切断，外部电容器将主动给输入端主电源供电，使产品继续工作 10 ms，以便后端设备存储保持时间状态数据并切换到备用电源，从而实现自动平稳的切换。

主动保持时间保护电路（图片来源：MORNSUN Power）

同时，主动保持时间保护电路具有可编程的欠压保护功能。当客户调整欠压点以适用于不同的电源系统时，该解决方案可以确保在全输入电压范围内实现 10ms 的保持时间保护。

这项技术已经成功地应用于 Mornsun 的铁路电源，即 UWTH1DxxQB-100WR3 系列。该系列具有 14 - 160 V_DC 的超宽输入电压范围，满足全球主流铁路系统的输入电压要求；通过一个简单、固定的外围电路和一个 470 μF 的电解电容器，实现了 10 ms 的保持时间保护功能。输入欠压保护可以通过改变外部电阻来调节，具有高达 5000 米的工作海拔，以及高达 4000 V_AC 的隔离电压。

UWTH1DxxQB-100WR3 系列具有 14 至 160 V_DC 的超宽输入电压范围（图片来源：MORNSUN Power）

总结：

如果工程师们对系统规格和认证的要求较低，那么就可以选择传统的解决方案。此外，如果对能效指标或保持时间保护功能的要求较低，也可以选择传统的拓扑结构解决方案。另一个选择是，如果想要一个适合各种工作条件的高集成度解决方案，那么就应选择更令人放心的主动保持时间保护电路解决方案。

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