應用場景與電壓擾動情況
通常人們認為，電池供電系統的電源電壓只會在電池滿電和放電的電壓區間內波動。這其實僅適用于簡單且低端的小型系統；然而，即便是汽車的 12V 供電系統（12V電網），在發動機啟動（cranking）期間電壓也會跌落到 9 伏或更低；若在發動機運轉時將電池斷開，電壓甚至可能飆升至 60 伏以上（這種現象被稱為負載甩降，即 load dump）。在更復雜的系統中，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跌落（voltage drops）。
符合 EN 50155（鐵路標準）的電壓容許范圍
如圖 1 所示，鐵路標準 EN 50155 規定了工作電壓范圍為額定電壓（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的影響，例如列車規模以及所處地區等。
直流輸電線路若發生短路，會導致供電電壓降至零，直到熔斷器（保險絲）或斷路器（circuit breaker）動作阻斷故障為止。對于許多鐵路系統，EN 50155 標準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行，如圖 2 所示。
圖 2：EN 50155 標準規范的供電中斷情況，Un = 額定供電電壓（見圖 1）
供電中斷與連續運行要求
其他采用直流電網（DC grids）或滑觸線（導電軌，conductor rails）的應用也可能會遇到供電中斷的情況，因此與鐵路應用類似，都需要掉電維持（hold-up）解決方案來確保系統能夠連續運行。
維持電容的容量計算與傳統方法的局限性
儲存在電容中的能量公式為 E = ? 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 = 變換器效率（converter efficiency）
Vnom = 額定供電電壓（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 變換器的輸入端直接并聯一個更大的電容和一個二極管。當供電中斷時，該二極管可以防止儲存在電容中的能量倒流回電網系統（如圖 3 所示）。
圖 3 ：通過增大輸入電容并加裝二極管以防止能量倒流的掉電維持電路
讓我們用以下數據來計算一個具體示例：
輸出負載為 100W、變換器效率為 88%、所需的維持時間為 10ms、額定電壓（公稱電壓）為 24V，且欠壓鎖定（UVLO）閾值電壓為 12V：
重要注意事項：
此計算并未將電解電容的容值公差（tolerances）以及因老化導致的容量衰減（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范圍（14.4V – 154V）內工作的電源（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(?) x 55mm，若將常見的 -20% 容值公差代入公式計算，總共需要將 11 顆電容進行并聯。
在一個 100W 的變換器輸入端加上大約 6000μF 或更多的電容，這已遠遠超過了為了穩定運行和快速瞬態保護（fast transient protection）所通常建議的 150 - 300μF。
這也引發了該解決方案的另一個重大缺陷：這些直接并聯在輸入線路上的巨大電容，會產生更高且持續時間更長的浪涌電流（inrush currents）。
在沒有額外配置主動式浪涌電流限制電路（active inrush current limiting circuit）的情況下，這會導致連接器與開關過載，并造成斷路器跳閘（如圖 4 所示）。
圖 4：在 DC/DC 變換器輸入端并聯更大的維持電容會導致浪涌電流增加
專利 Bus 引腳掉電維持（Hold-up）架構：在不增加浪涌電流的情況下縮小尺寸
博大（P-DUKE）設計了一種專利解決方案，使客戶能在超過 20 毫秒的供電電壓跌落期間維持系統運行，同時不會增加浪涌電流，且所需電容容量大幅減少。該方案采用具備超寬輸入電壓范圍的 DC/DC 模塊，并在模塊內集成了充電電路，用于為連接至 Bus 引腳的獨立維持電容充電（見圖 5）。
圖 5：博大（P-DUKE）專利備份電路的基本原理圖
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：
這些模塊具備超寬的輸入電壓范圍，可涵蓋從 14.4V 到 154V 的所有可能列車電壓，因此單一模塊即可適用于所有不同的應用場景。
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通過 D2 傳送至 DC/DC 變換器的輸入端，使其持續運行。
進行與先前示例相同的計算，并將跨越 D2 的 0.7V 電壓降（voltage drop）納入考量，所需的電容值將為：
通過引入一個系數 k（范圍自 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。此結果雖然大于我們第一次的計算數值，
但由于 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(?) x 40mm，且在將 -20% 的容差納入考量后，總共只需要兩顆電容。
與第一個使用 11 顆 200V 耐壓電容的示例相比，其體積縮減了 90% 以上，由于僅需 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范圍，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范圍
該專利電路除了在所需維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，都不會提高浪涌電流。
這是因為這些電容并未直接連接到輸入電源線上，而是通過模塊內部的限流充電電路進行充電（見圖 7）。
圖 7：在博大（P-DUKE）變換器的 Bus 引腳加入維持電容，不會增加浪涌電流
博大科技的 RCD10U-K、RCD20U-K、RED40U-K 以及 QAE垂直系列（QAEXXU-K）產品均提供此 Bus 引腳設計；其中在 QAE 系列中，二極管 D2 已經集成于模塊內部。
有關此專利電路的更多詳細信息、對比圖表和最大電容值，請參閱博大科技的應用筆記。
為了讓客戶更輕松地挑選電容，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，以確保在所有工況下皆能達到所需的維持時間。
圖 8：針對不同產品系列的維持電容簡化計算方法
應用案例
以下通過兩個實際案例，說明客戶如何采用博大科技的專利解決方案，成功實現顯著的空間與成本節省：
案例 1：鐵路以太網交換機
起初，客戶希望找到一種最簡單的解決方案，為多種鐵路以太網交換機供電，這些設備需要 24V 輸出，功率分別為 40W、60W 和 100W。輸入電壓范圍從 14.4V 到 154V，且所有設備都必須符合 S3 規范，也就是至少需要 20ms 的維持時間（hold-up time）。
由于可用空間有限，因此無法在變換器輸入端使用大型維持電容以及所需 accompanied 的浪涌電流限制電路。
通過選用博大的 QAE40-72S24U-K、QAE60-72S24U-K 和 QAE100-72S24U-K，成功找到了一種在維持電容方面占用空間最小的解決方案。
另一個重要優勢在于：
所有模塊均采用相同的 1/4 磚（1/4 Brick）封裝尺寸，因此可以設計單一的 PCB 布局（Layout）來適配所有不同的電容配置。根據所需功率，只需在 PCB 上焊接相應的模塊與電容即可（見圖 9）。
圖 9：以太網交換機解決方案，可涵蓋三種不同的功率需求
案例 2：鐵路微控制器電源
得益于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（單片機板）的電源方案，該系統需求為 5V / 20W。
博大科技的 RCD20-72S05U-K 同樣提供 Bus 引腳用于為維持電容充電，但由于模塊內部空間有限，無法同時集成二極管 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，客戶只需更換模塊，即可獲得最高達 24V 的單路輸出或雙路輸出電壓。
案例 3：智能工廠機器人控制系統
如前所述，并非只有鐵路應用才會面臨較長的供電電壓跌落。
在本案例中，一家設計智能工廠機器人控制系統的客戶聯系了博大（P-DUKE），并提出了以下需求：
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（體積）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 電源轉換器，分別為適用于 24V 輸入的 RED60-24S12W，以及適用于 48V 輸入的 RED60-48S12W，并考慮在模塊輸入端并聯大型電容，以滿足供電中斷期間的能量維持需求。然而，此方法不僅會增加系統體積，還可能帶來浪涌電流及相關保護設計上的復雜性。
針對上述需求，我們建議采用 QAE60-XXXXU-K 系列模塊，該系列具備寬輸入電壓范圍及 Bus 引腳設計，可支持外接維持電容并通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 模塊的 9–75V 輸入范圍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 模塊的最低工作電壓可低至 9V（電容計算時采用 8.1V 的 UVLO 閾值），相較于 72Vnom 模塊 14V 的最低輸入電壓，前者可在電容放電過程中利用更寬的電壓范圍，從而在維持時間設計上提供更大的設計裕量（margin）。此特性有助于降低所需的電容容量，進一步減小系統體積并優化整體設計。
此特性亦反映在維持電容（Chold-up）計算表中較小的乘數系數上
下表顯示了各種不同方案的電容值。正如預期的那樣，采用 QAE60-36S12U 可實現最小的電容容量需求，并同時實現整體解決方案尺寸的最小化。
圖 11：使用各種 DC/DC 模塊的維持電容對比
與前述示例類似，本案例亦通過單一模塊與單一電容，即可實現同時涵蓋兩種輸入電壓范圍的解決方案（見圖 12）。
除了有效縮小系統體積外，在生產與物流（供應鏈）方面也帶來了明顯的成本節省。
圖 12：涵蓋 24V 與 48V 供電電壓并提供 10ms 維持時間的機器人控制器解決方案
總結
博大科技的專利電路使客戶能夠在不增加浪涌電流、不觸發斷路器跳閘，且不使電纜和連接器過載的情況下，實現超過 20 毫秒（ms）的長維持時間。
通過使用額定耐壓 25V 的電容，搭配單一具備超寬輸入范圍的 DC/DC 變換器模塊，即可涵蓋鐵路、工業或電信應用中的所有額定（公稱）輸入電壓。
本文僅介紹了基本原理與三個應用案例，若您正在規劃相關應用或尋求最佳設計方案，歡迎聯系博大應用工程團隊，獲取最合適的技術建議
>>立即咨詢
投訴建議
