处理 DC/DC 转换器保持时间的更好方法

DC/DC 转换器通常设计为即使输入电源出现短暂中断也能保持输出。这种输出保持的持续时间通常由跨接在转换器输入端子上的外部电容器的值设置。但是，某些类型的转换器现在具有专用的保持电容器连接（总线引脚）。该方案最多可节省 93% 的外部电容器成本，同时还可将其体积减少多达 93%。

案例研究有助于说明该方法的好处。以（轻型）轨道车辆上使用的乘客信息系统的电源为例。轻轨应用可能会经历长时间的电源电压中断。铁路应用的EN 50155 标准——机车车辆阐明了铁路车辆电子设备的操作、设计和测试要求。由于其对“恶劣”环境条件的全面考虑，EN 50155 通常被考虑用于加固工业应用的设计。这包括在长达 20 毫秒的电源电压中断期间继续运行，这在电池供电应用中很常见。

在中断期间，输入可能会短路。电源必须来自（外部）保持电容器组。保持电路的设计和电容器组的尺寸设计是整个应用设计过程的重要部分。

轻轨乘客信息系统通常包括一个小屏幕、一台现场计算机和网络外围设备，例如工业以太网和/或 IEEE 802.11 无线通信。40W 的电源通常足以满足这些需求。直流电源的重要电气要求包括提供行业标准的 24、48、96 和 110-V 电池系统电压以及高和低输入电压限制、最大瞬态输入电压和电源中断的最长持续时间可以处理。

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化电路图。

我们将考虑涉及三种不同保持电路的三种情况。场景 A 展示了使用还包含专用保持电容器连接的电源。方案 B 使用类似的 12:1 超宽输入电压范围产品，其中不包括专用低压保持电容器电路。场景 C 展示了一个基于最先进的 4:1 宽输入电压范围 DC/DC 转换器的参考设计，该转换器也不包含专用的保持电容器连接。

在所有三种情况下，保持电容器组的大小都不同。在场景 A 中，正常操作通过 dc/dc 转换器的内部电路为保持电容器充电。如果电源电压中断，专用保持电路会自动将电源从输入钳位切换到外部保持电容器。dc/dc 转换器输入端的二极管可防止电源电压意外反转损坏转换器，并防止保持电容器组向主电源放电。

最小保持电容 C 1 = C h,min的计算公式如下

： η wc = 满载时的 dc/dc 转换器功率转换效率，V uvlo = 转换器可以正常运行的最低输入电压，V h,nom =正常工作期间保持电容的充电电压，P nom = dc/dc 转换器标称功率，T hold = 保持时间，秒。包含一个 1.5 的系数以说明组件公差和其他非理想情况。

得益于扩展保持功能，V h,nom在正常工作期间对于所有标称输入电压都是恒定的 21.4 V。这允许应用设计人员使用 V c1,rated额定电压为 25 V 的低压电容器来存储能量。V c1,rated仅略高于 V h,nom这一事实强调了设计的有效性。根据 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。

简化电路图说明了当 DC/DC 转换器没有专用保持电路时保持电容器组的连接。

方案 B 采用包含保持电容器、两个二极管和电阻器 R 1的 dc/dc 转换器输入电路。在正常操作期间，保持电容器通过电阻器充电。在电源电压中断的情况下，保持电容器将其存储的能量通过其中一个二极管提供给 dc/dc 转换器。另一个二极管可防止转换器在输入电压意外反转时损坏。

R 1的选择代表了限制浪涌电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 C 2 = C h,min是根据

其中变量代表与等式一中相同的实体的位置来计算的。由于没有专用的保持电路，保持电容器电压 V h,nom跟随输入电压，因此 V h,nom = V nom,min = 24 V。电容器组必须针对最大（瞬态）输入电压设计V h,rated ≥V in,max≥154 V。处理高输入电压的需要是传统设计的一个重大缺陷。为了为安全操作提供缓冲，可能会指定额定值为 200 V的 V h 。

转向场景 3，具有 12:1 超宽输入电压范围的 DC/DC 转换器最近才上市。因此，我们将考虑使用具有 4:1 宽输入电压范围的 DC/DC 转换器的最先进设计。有限的输入电压范围迫使使用三个不同的 DC/DC 转换器，每个标称系统电压一个。但保持电路的设计方法实际上与方案 B 中的相同。

所有三种情况的设计能量、电容器成本、电容器数量和体积的比较。点击图片放大。

测试表明，由于其专用的保持电容器连接，方案 A 转换器 ( Traco Power TEP 40UIR ) 可以使用比方案 B 中所需的小 93% 的外部保持电容器，同时保持电容器成本也有类似的降低。与场景 C（4:1 宽输入电压范围 dc/dc 转换器）相比，场景 A 的电容器体积最多可减少 36%，成本最多可降低 25%，同时可将装配变体的数量从三种减少到一种。

轻型（轨道）车辆乘客信息系统电源电路关键要求 点击图片放大。

虽然为清楚起见，本比较中的要求和设计决策已被简化，但它们准确地反映了克服直流电源电压短时中断的核心工程挑战。然而，值得注意的是，这些场景提出了基于理想操作条件和理想组件质量的理论考虑。

用于应对电源电压中断的电容器组的尺寸和设计。点击图片放大。

当然，实际应用需要额外的输入滤波器、散热考虑等等。合规指南和（技术）法规也可能影响设计。公差、老化和环境条件可能需要它们自己的风险管理措施。不同的电路变体（例如，输入电压的主动转换）需要不同的设计方法。

总而言之，当使用方案 A 中的转换器时，例如Traco Power TEP 40UIR dc/dc 转换器，应用工程师可以节省高达 93% 的保持电容器成本，并将保持电容器的体积减少多达与没有专用保持电路的方法相比，减少了 93%。开发人员还可以减少工程、认证、测试、组装、改装、库存、维护和支持成本。