鐵路應用對電源設備有著嚴格的標準要求，其中極端的電氣環境和寬輸入電壓范圍尤為突出。

Traco Power的TEP 40UIR系列產品，憑借集成的保持電路設計，為鐵路電源系統提供了可靠且簡便的實現方案。

在鐵路行業，電源系統需要在極端條件下工作，電源可以來自受電弓、發電機或電池管理系統，輸入電壓范圍非常寬。例如，輕軌車輛系統可能需要適應24 V、48 V、96 V或110 V的直流電壓。作為電氣設備供應商，您需要提供一個廣泛的輸入電壓轉換器，以滿足這些多變的需求。

除了寬電壓范圍外，鐵路設備的電氣環境也充滿挑戰。電壓可能在額定值的60%到140%之間波動。此外，根據EN50155標準，鐵路電子設備需要在輸入電壓中斷的情況下繼續運行。如符合S3等級，設備必須在輸入電壓降至0 V并持續20毫秒時保持正常工作，這就需要一個保持電路來平衡這些中斷。

典型電源系統的保持電路

如今，大多數工程師會選擇符合EN50155標準的超寬輸入范圍（12:1）的DC/DC電源，以便僅通過一個產品滿足所有客戶需求。在輸入端添加簡單的保持電路，即可實現20毫秒的保持時間。

以乘客信息系統為例（圖1），系統包括顯示屏、嵌入式計算平臺和工業網絡接口，功率需求約為40 W。

圖1：鐵路客車中的乘客顯示系統在運行中必須能夠承受極端電氣環境。

由于電容器位于電源輸入端，因此需要考慮高達154 V的電壓波動。為了確保安全余量，電容器的額定電壓需選擇200 V。然而，這會帶來成本和空間的增加。

保持電路的第一個關鍵元件是電容器C1（圖2），并需要串聯一個電阻器R1來限制浪涌電流。保持電容的最小值可以通過公式計算得出，同時考慮了元件的公差和功率轉換效率（圖3）。假設24 V的額定電壓和93%的轉換效率，保持時間20毫秒，則所需電容約為7,200 μF。

圖2：典型的輸入端保持電路

圖3：計算保持電容的公式

由于電容器位于電源輸入端，因此需要考慮高達154 V的電壓波動。為了確保安全余量，電容器的額定電壓需選擇200 V。然而，這會帶來成本和空間的增加。

具備集成保持功能的電源轉換器

考慮到鐵路應用中的這些挑戰，一些 DC/DC 電源轉換器集成了大部分保持電路，從而簡化了實施過程。例如，Traco PowerTEP 40UIR系列是專用的 DC/DC 鐵路轉換器，其 12:1 輸入電壓范圍為 14 V 至 160 V。它們還具有一個用于保持電容器的總線引腳，可根據應用需求確定尺寸。不過，由于總線引腳只需要 21.4 V 的預定義電壓，因此無論應用的輸入電壓是多少，都可以使用額定電壓為 25 V 的電容器。

此外，由于保持電路是集成的，因此無需外部二極管 (D2) 和浪涌電阻（圖 4）。

圖4：集成保持電路的電源轉換器只需低電壓額定電容

使用相同的公式可簡化兩種方法的比較。我們可以假設電源轉換器效率（93%）和欠壓鎖定電壓（14.4 V）相同，僅將標稱電源電壓改為 21.4 V。這將導致保持電容略微增大，約為 10,600 μF。不過，只需采購兩個高性價比的 25 V、6,800 μF 電容器，占用的電路板空間大大減少，所需的體積也減少了約 15 倍。

專用保持功能簡化了鐵路電源設計

為鐵路應用選擇電源轉換器極具挑戰性。盡管輸入電壓范圍很寬，但應用開發人員仍希望通過選擇一種可涵蓋所有可能情況的超寬輸入電源來簡化設計工作，并降低采購困難度。然而，下一個復雜問題是滿足所需的保持時間。建立一個直接連接到電源轉換器輸入端的保持電路意味著要選擇高額定電壓的電容器。值得慶幸的是，有一些電源轉換器集成了保持功能，如 TEP 40UIR 系列。這些產品允許使用符合應用要求的較低額定電壓電容器（25 V），同時降低了電容器成本，使設計更加緊湊。

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