12:1 DC/DC转换器可达到延长保持时间的作用兼具技术上和商业上的双重优势

与传统设计相比，使用带总线引脚的 12:1 DC/DC 转换器，可达到延长保持时间的作用，因而兼具技术上和商业上的双重优势

"Traco Power 的新型 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器，具有延长保持时间的功能，可节省成本和电路板空间"

1 执行摘要

Traco Power 新系列 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器的一大特点就是具有专用的保持电容器连接（“总线引脚”）。这项新功能可使应用工程师节省高达 93% 的外部电容器成本，同时缩小高达 93% 的体积。与传统解决方案相比，通过将设计通道数量从 3 个减少为 1 个，工程、认证、测试、装配、再加工、库存、维护以及支持工作已降至最低限度。

为了证明该设计的吸引力，我们基于实际应用进行了一项案例研究：一种用于（轻型）轨道车辆的乘客信息系统。该应用满足了在 20ms 长的电源电压中断情况下行驶的要求，这可能在电池供电系统中很常见。研究表明，Traco Power 的新系列具备延长保持时间功能的 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器，与传统的 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器以及先进的 4:1 宽输入电压范围 DC/DC 转换器相比，性能更好。

2 引言

EN 50155 标准 ‎[1] 制定了轨道车辆上电子设备的操作、设计和测试的重要要求。由于其综合考虑了各种“恶劣”环境条件，EN 50155 经常用于设计坚固耐用的工业应用。包括在持续时间长达 T_h=20ms 的电源电压中断情况下继续工作。

中断期间，输入可能短路。电源需由（外部）保持电容器组提供。保持电路设计和电容器组的尺寸标注是整个应用设计过程的重要组成部分。
 

3 案例研究：延长保持时间的设计

本案例研究中，一家原始设备制造商 (OEM) 开发了一种直流电源，可用于（轻型）轨道车辆上的低成本、高集成和轻量级乘客信息系统。该电源在 P_nom=40W 峰值功率下运行时，足以为一个小屏幕、一台现场计算机和网络外围设备（如工业以太网和/或 IEEE 802.11 无线通信）供电。

3.1 直流电源的关键要求

列出了直流电源最重要的电气要求。标称输入电压包括工业标准 24V,48V,96V 和 110V 电池系统电压。

为了缩短上市时间，并节省工程、制造和维护成本，OEM 选择了单一电源接受所有输入电压的解决方案：

• 方案 A 介绍了最佳解决方案的参考设计。所选的 Traco Power TEP 40UIR 转换器支持在整个输入电压范围内以超过 40W 的额定功率连续运行。由于其具有专用的保持电容器连接，所需外部电容器组的体积和成本很小。

在本案例研究中，还分析了两种备选方案：

• 方案 B 使用来自竞争对手的同类 12:1 超宽输入电压范围产品。但该方案没有专用的低压保持电容器电路。
• 方案 C 呈现了基于先进的 4:1 宽输入电压范围 DC/DC 转换器的参考设计，该转换器同样无专用的保持电容器连接。这种设计有效地产生了具有三种不同保持电路的总共三种不同设计通道，并最终组成三种装配通道。

3.2 保持电容器组的尺寸标注

直流电源能否经受住电源电压的短暂中断取决于保持电路的正确设计和电容器组的适宜尺寸。接下来，我们将讨论三种方案的所有设计和尺寸标注。

3.2.1 方案 A：

图 1 展示了保持电容器组如何利用延长保持时间功能（“总线引脚”），连接到 DC/DC 转换器的专用保持电路上。正常运行过程中，保持电容器可通过 DC/DC 转换器的内部电路充电。如果电源电压中断，该电路会自动将电源由输入夹切换至外部保持电容器。二极管 D_1 可防止 DC/DC 转换器在电源电压意外反转时受到损害。同时还可以防止保持电容器组向主电源放电。

图 1：当使用带有专用保持电容器连接（“总线引脚”）的 DC/DC 转换器时，保持电路的简易电路图。

 

最小保持电容采用以下公式计算 ：

上述公式中，η_wc 表示 DC/DC 转换器满载时的功率转换效率。考虑到元件的公差和其他非理想情况，加入系数 1.5。变量 V_ULVO 表示转换器能够正常运行的最低输入电压。电压 V_(h,nom) 是正常运行期间保持电容的充电电压。得益于延长保持时间的功能，在正常运行时，对于所有标称输入电压，该电压都是恒定的 ：

这使得应用设计者可以选择低成本的低压电容器来储存保持期间的能量，其额定电压为

正如 ‎[2] 中所建议的。注意该电压仅略高于 V_(C1,nom)，这强调了设计的有效性。依据 EN 50155  的要求，即使在最低标称电压下发生中断，也可以达到保持时间。
3.2.2 方案 B：

图 2 显示了使用无专用保持电路的 DC/DC 转换器时，保持电容器连接的简易电路图。正常运行过程中，保持电容器 C_1 可通过外部电阻 R_1 充电。如果电源电压中断，该保持电容器会通过二极管 D_2 将储存的能量提供给 DC/DC 转换器。二极管 D_1 可防止转换器在输入电压意外反转时受到损害。

图 2：在 DC/DC 转换器无专用保持电路的情况下，保持电容器组连接的简易电路图

R_1 的选择体现了在限制涌流和最小化电容器组的(再)充电时间之间的权衡。最小保持电容采用以下公式计算 ：

上述公式中，η_wc 仍然表示 DC/DC 转换器满载时的最差功率转换效率。考虑到元件的公差和其他非理想情况，加入系数 1.5。变量 V_UVLO 表示转换器能够正常运行的最低输入电压。由于缺乏专用保持电路，保持电容器电压跟随输入电压，导致

电容器组的设计必须满足最大（瞬态）输入电压 

以上说明了传统设计的一项重大缺陷。为确保安全运行，我们选择了 V_(h,rated)=200V 的电压。 
3.2.3 方案 C：

目前 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器在市场上仍然相对较新，因此将其与使用 4:1 宽输入电压范围 DC/DC 转换器的一流设计进行了比较。由于输入电压范围有限，所以需要三种不同的设计通道，从而产生了三种不同的装配变体（每个标称系统电压对应其中一种）。
因保持电路的主要设计方法与方案 B 中概述的设计方法几乎相同，此处不再重复。对于该一流解决方案计算的保持电容和额定电压，请参见 ‎3.2.2 章节。

4 结果

图 1 显示了本研究的主要结果。三种方案中，单个应用的总电容器设计能量、总电容器成本、电容器数量和保持电容器组的总体积均已直观展示。

得益于其专用保持电容器连接，Traco Power TEP 40UIR 转换器（方案 A）相比无专用保持电路的传统 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器（方案 B）设计，外部保持电容器体积和保持电容器成本均可总体减少 93%。

与基于 4:1 宽输入电压范围 DC/DC 转换器（方案 C）的最先进解决方案相比，参考设计（方案 A）的优势更加明显。使用 Traco Power TEP 40UIR，可将电容器体积减少高达 36%，总电容器成本减少高达 25%，同时装配变体的数量由 3 个减少为 1 个。

也即，使用 Traco Power 的新系列具备延长保持时间功能（“总线引脚”）的 12:1 超宽输入电压范围转换器，单一电源设计即可涵盖多个工业标准的电池系统电压 (24V,48V,96V 和 110V），同时降低成本、减少重量及缩小应用尺寸。

图3：三种方案的设计能量、电容器成本、电容器数量和体积的比较

4.1 假设与制约因素

本白皮书中讨论的案例研究可视为一项实际应用。虽然为了尽可能全面地讨论主要结果，案例中的要求和设计决策已经简化，但其仍准确地反映了设计直流电源电压短暂中断期间持续运行方面的核心工程挑战。

尽管如此，应当指出的是本白皮书提出了基于理想运行条件和理想元件特性的理论性思考。额外的应用要求可能是合同规定或技术要求的（如输入过滤器和热考量），须单独评估。

合规指南和（技术）规定可能会影响设计和尺寸，从而影响本研究的结果，应用工程师应始终考虑到这一点。强烈建议在设计过程中充分尊重公差、老化和环境条件，并进行适当的风险管理。不同的电路变体（例如，具备主动切换输入电压功能）需要不同的设计方法。

如上所述额外要求的详细讨论已超出本白皮书的范围，因此为简洁起见，省略其相关内容。

表格 1：轻型（轨道）车辆乘客信息系统电源电路的关键要求。

		方案 A	方案 B	方案 C
应用		乘客信息系统
设计通道		单一		多个
保持连接		专用	输入
电源转换器		TEP 40UIR	竞品 A	竞品 B
输出功率		40W	40W	40W	40W	40W
最低标称输入电压		24V	24V	24V	48V	96V
最高标称输入电压		110V	110V	24V	48V	110V
最大（瞬态）输入电压		154V	154V	34V	67V	154V
输出电压		24V	24V	24V	24V	24V
中断持续时间		20ms	20ms	20ms	20ms	20ms

表格 2：用于电源电压中断情况下行驶的电容器组尺寸和设计
 

		方案 A	方案 B	方案 C
最差功率转换效率		90%
所需最小保持电容
最大欠压锁定阈值		14.4V	14.4V	8.8V	17.5V	42V
电容器额定电压		25V	200V	50V	100V	200V
电容器		Nichicon UPW1E682MHD	Nichicon UPW2C471MRD	Nichicon UPW1H122MHD6	Nichicon UPW2A561MHD	Nichicon UPW2C221MRD6
并联电容器数量		2	16	5	3	2
单个电容器成本		1.12$	1.91$	0.60$	0.69$	1.19$
总电容器体积（箱）		26cm^3	287cm^3	41cm^3	31cm^3	28cm^3
总电容器成本		2.25$	30.70$	2.99$	2.06$	2.37$

5 结论

本白皮书讨论了 Traco Power 的最新 12:1 超宽输入电压 DC/DC 转换器的延长保持时间功能（“总线引脚”）如何在典型应用中显著减少无源元件的成本和体积。一项直流电源的参考设计已用于轻型（轨道）车辆乘客信息系统。使用 Traco Power TEP 40UIR DC/DC 转换器时，与基于竞争产品的无专用保持电路解决方案相比，应用工程师可节省高达 93% 的保持电容器成本，并减少高达 93% 的保持电容器体积。

Traco Power 新系列 12:1 超宽输入电压范围 DC/DC 转换器与 4:1 宽输入电压范围的一流产品比较时，优势更加明显。使用 TEP 40UIR，应用工程师不仅可节省高达 25% 的保持电容器成本以及减少高达 36% 的保持电容器体积，同时还可以通过单一设计安全连接多个电池系统电压。因此，应用程序工程师也降低了工程、认证、测试、装配、再加工、库存、维护和支持成本。