铁路电源系统保持时间的简便实现方案

铁路应用对电源设备有着严格的标准要求，其中极端的电气环境和宽输入电压范围尤为突出。

Traco Power的TEP 40UIR系列产品，凭借集成的保持电路设计，为铁路电源系统提供了可靠且简便的实现方案。

在铁路行业，电源系统需要在极端条件下工作，电源可以来自受电弓、发电机或电池管理系统，输入电压范围非常宽。例如，轻轨车辆系统可能需要适应24 V、48 V、96 V或110 V的直流电压。作为电气设备供应商，您需要提供一个广泛的输入电压转换器，以满足这些多变的需求。

除了宽电压范围外，铁路设备的电气环境也充满挑战。电压可能在额定值的60%到140%之间波动。此外，根据EN50155标准，铁路电子设备需要在输入电压中断的情况下继续运行。如符合S3等级，设备必须在输入电压降至0 V并持续20毫秒时保持正常工作，这就需要一个保持电路来平衡这些中断。

典型电源系统的保持电路

如今，大多数工程师会选择符合EN50155标准的超宽输入范围（12:1）的DC/DC电源，以便仅通过一个产品满足所有客户需求。在输入端添加简单的保持电路，即可实现20毫秒的保持时间。

以乘客信息系统为例（图1），系统包括显示屏、嵌入式计算平台和工业网络接口，功率需求约为40 W。

图1：铁路客车中的乘客显示系统在运行中必须能够承受极端电气环境。

由于电容器位于电源输入端，因此需要考虑高达154 V的电压波动。为了确保安全余量，电容器的额定电压需选择200 V。然而，这会带来成本和空间的增加。

保持电路的第一个关键元件是电容器C1（图2），并需要串联一个电阻器R1来限制浪涌电流。保持电容的最小值可以通过公式计算得出，同时考虑了元件的公差和功率转换效率（图3）。假设24 V的额定电压和93%的转换效率，保持时间20毫秒，则所需电容约为7,200 µF。

图2：典型的输入端保持电路

图3：计算保持电容的公式

由于电容器位于电源输入端，因此需要考虑高达154 V的电压波动。为了确保安全余量，电容器的额定电压需选择200 V。然而，这会带来成本和空间的增加。

具备集成保持功能的电源转换器

考虑到铁路应用中的这些挑战，一些 DC/DC 电源转换器集成了大部分保持电路，从而简化了实施过程。例如，Traco PowerTEP 40UIR系列是专用的 DC/DC 铁路转换器，其 12:1 输入电压范围为 14 V 至 160 V。它们还具有一个用于保持电容器的总线引脚，可根据应用需求确定尺寸。不过，由于总线引脚只需要 21.4 V 的预定义电压，因此无论应用的输入电压是多少，都可以使用额定电压为 25 V 的电容器。

此外，由于保持电路是集成的，因此无需外部二极管 (D2) 和浪涌电阻（图 4）。

图4：集成保持电路的电源转换器只需低电压额定电容

使用相同的公式可简化两种方法的比较。我们可以假设电源转换器效率（93%）和欠压锁定电压（14.4 V）相同，仅将标称电源电压改为 21.4 V。这将导致保持电容略微增大，约为 10,600 µF。不过，只需采购两个高性价比的 25 V、6,800 µF 电容器，占用的电路板空间大大减少，所需的体积也减少了约 15 倍。

专用保持功能简化了铁路电源设计

为铁路应用选择电源转换器极具挑战性。尽管输入电压范围很宽，但应用开发人员仍希望通过选择一种可涵盖所有可能情况的超宽输入电源来简化设计工作，并降低采购困难度。然而，下一个复杂问题是满足所需的保持时间。建立一个直接连接到电源转换器输入端的保持电路意味着要选择高额定电压的电容器。值得庆幸的是，有一些电源转换器集成了保持功能，如 TEP 40UIR 系列。这些产品允许使用符合应用要求的较低额定电压电容器（25 V），同时降低了电容器成本，使设计更加紧凑。

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