对超宽输入范围DC/DC转换器的需求
2019-7-24
从低功率测试测量设备，到大功率的电机驱动，DC/DC转换器几乎能够应用在如医疗、运输设备等任何一个行业中。
使用DC/DC转换器的主要原因是将负载电压和电源电压相匹配（例如从24V供电给3.3V微处理器板）、输出与输入端之间相互隔离（例如一个电气隔离转换器可以保护患者免受危险电压的伤害），同时增加故障保护功能（几乎所有稳压输出转换器都可以承受输出端的永久短路）。
大多数工业级转换器具有2:1或4:1的输入电压范围。例如，标称24V输入的2:1转换器可在18-36Vdc范围内工作（24V铅酸电池的电压范围，包括电池充电器的开路电压），而4:1转换器可在9-36V范围内工作（12V或24V铅酸电池的电压范围）。
很少有隔离式转换器提供超过4:1的输入电压范围。原因有两个，第一是最小输入电压的输入电流至少是最大输入电压下输入电流的四倍，因此很难设计一个既能处理范围一端的高输入电压，又能处理另一端高输入电流的输入级。第二个原因是隔离式转换器通常使用PWM（脉冲宽度调制）控制器来调节输出电压且不受输入电压或输出负载影响，而有效的调节范围仅4:1，由最小开启时间与最大关断时间之比来定义。
之所以有最小开启时间的原因是它是功率级的反应时间。如果脉冲宽度减得太多，那么功率开关晶体管将无法迅速地做出反应。此外，在这个极窄的脉冲中的任何抖动都会被功率级放大，从而导致输出电压的调节性降低（如果1ms脉冲的抖动为100µs，输出电压变化为10%）。在另一端，在最小输入电压下，驱动晶体管无法一直保持开启状态，因此必须以最小的关断时间将其关断。脉冲的关断时间必须足以让变压器复位，所以通常比最小开启时间长得多。这两个脉冲宽度的限制说明了PWM控制器不能在超过4:1的输入电压范围内工作，并同时保持正常的调节性能。
图1：PWM控制的DC/DC转换器工作原理（来源：DC/DC知识手册，RECOM）
标准的工业DC/DC转换器输入电压范围由电信系统定义（12V、24V或48VDC电池电源）。铁路应用还会使用更高的72V、96V或110V电池电压。最常见的干线铁路总线电压是110Vdc，但是轻轨和电车通常使用较低的电池电压。针对机车车辆用电子设备的EN50155标准在最新版本中还包括了28V和36V的选项：
图2：根据EN50155:2017的DC输入电压范围（包含瞬态）
我们可以马上看到EN50155标准的输入电压范围和传统的DC/DC输入电压规格存在的问题。传统的三种DC/DC转换器（标称24V、48V和110V）适用于所有标准铁路电源电压包括瞬态，但是增加的28V电池电压会打破这个模式。虽然28V系统的标称电源电压在24V DC/DC转换器的输入范围内，但是最大电源电压过高。虽然28V的最大输出电压在48V DC/DC转换器的范围内，但最小电压又太低，结果都不适合！
针对这个难题有两种解决方案：增加一个标称36V输入DC/DC转换器，让四种不同设计涵盖所有输入电压，或者设计一个11:1输入范围的转换器，让一个转换器涵盖所有可能的情况。
此时您可能会想：“等等！首先我们听到4:1是极限，而现在提出了11:1的解决方案！” 是的，虽然没有办法解决4:1输入范围问题，但是您可以将两个转换器组合在一起，先是一个低输入电压的前置转换器升压，接着是高输入电压隔离4:1转换器。升压转换器的拓扑优势在于输入电压高于设定输出电压时，功率晶体管会一直处于关断状态，然后输入电压直接通过二极管的负压降（图3）。另一个优点是升压转换器级不需要隔离，所以也不需要考虑变压器的复位时间，同时输入电压范围可以远大于4:1。因此，输入范围不仅限于8:1（4:1接着4:1），而且可以达到12:1（8:1接着4:1），如图4所示。
图3：升压转换器拓扑。如果Vin> Vout，输出电压随着输入电压升高。
图4：12:1输入范围DC/DC转换器。非隔离升压级之后是常规的4:1隔离式DC/DC转换器。
根据这个原理，RECOM提供四种不同输入电压范围为10:1或12:1的多合一超宽输入范围DC/DC转换器：
每个转换器系列都可以在24V、28V、36V、48V、72V、96V或110Vdc标称电源电压下工作，包括EN50155标准所定义的欠压和过电压瞬态。转换器提供12V、15V、25V或48V的隔离输出。 40W和60W版本也具有5V输出。
转换器在整个输入电压范围内具有稳定的效率，因此仅需要一款产品来涵盖所有的铁路电源电压，从而减少最终安装所需的物流、文档以及技术支持等费用。这也意味着该电源可用于干线铁路、轻轨或电车应用，从而降低开发和生产成本。
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References
1, Please refer to the DC/DC Book of Knowledge,
RECOM: We Power your Products
大多数工业级转换器具有2:1或4:1的输入电压范围。例如，标称24V输入的2:1转换器可在18-36Vdc范围内工作（24V铅酸电池的电压范围，包括电池充电器的开路电压），而4:1转换器可在9-36V范围内工作（12V或24V铅酸电池的电压范围）。
很少有隔离式转换器提供超过4:1的输入电压范围。原因有两个，第一是最小输入电压的输入电流至少是最大输入电压下输入电流的四倍，因此很难设计一个既能处理范围一端的高输入电压，又能处理另一端高输入电流的输入级。第二个原因是隔离式转换器通常使用PWM（脉冲宽度调制）控制器来调节输出电压且不受输入电压或输出负载影响，而有效的调节范围仅4:1，由最小开启时间与最大关断时间之比来定义。
之所以有最小开启时间的原因是它是功率级的反应时间。如果脉冲宽度减得太多，那么功率开关晶体管将无法迅速地做出反应。此外，在这个极窄的脉冲中的任何抖动都会被功率级放大，从而导致输出电压的调节性降低（如果1ms脉冲的抖动为100µs，输出电压变化为10%）。在另一端，在最小输入电压下，驱动晶体管无法一直保持开启状态，因此必须以最小的关断时间将其关断。脉冲的关断时间必须足以让变压器复位，所以通常比最小开启时间长得多。这两个脉冲宽度的限制说明了PWM控制器不能在超过4:1的输入电压范围内工作，并同时保持正常的调节性能。
图1：PWM控制的DC/DC转换器工作原理（来源：DC/DC知识手册，RECOM）
标准的工业DC/DC转换器输入电压范围由电信系统定义（12V、24V或48VDC电池电源）。铁路应用还会使用更高的72V、96V或110V电池电压。最常见的干线铁路总线电压是110Vdc，但是轻轨和电车通常使用较低的电池电压。针对机车车辆用电子设备的EN50155标准在最新版本中还包括了28V和36V的选项：
图2：根据EN50155:2017的DC输入电压范围（包含瞬态）
我们可以马上看到EN50155标准的输入电压范围和传统的DC/DC输入电压规格存在的问题。传统的三种DC/DC转换器（标称24V、48V和110V）适用于所有标准铁路电源电压包括瞬态，但是增加的28V电池电压会打破这个模式。虽然28V系统的标称电源电压在24V DC/DC转换器的输入范围内，但是最大电源电压过高。虽然28V的最大输出电压在48V DC/DC转换器的范围内，但最小电压又太低，结果都不适合！
针对这个难题有两种解决方案：增加一个标称36V输入DC/DC转换器，让四种不同设计涵盖所有输入电压，或者设计一个11:1输入范围的转换器，让一个转换器涵盖所有可能的情况。
此时您可能会想：“等等！首先我们听到4:1是极限，而现在提出了11:1的解决方案！” 是的，虽然没有办法解决4:1输入范围问题，但是您可以将两个转换器组合在一起，先是一个低输入电压的前置转换器升压，接着是高输入电压隔离4:1转换器。升压转换器的拓扑优势在于输入电压高于设定输出电压时，功率晶体管会一直处于关断状态，然后输入电压直接通过二极管的负压降（图3）。另一个优点是升压转换器级不需要隔离，所以也不需要考虑变压器的复位时间，同时输入电压范围可以远大于4:1。因此，输入范围不仅限于8:1（4:1接着4:1），而且可以达到12:1（8:1接着4:1），如图4所示。
图3：升压转换器拓扑。如果Vin> Vout，输出电压随着输入电压升高。
图4：12:1输入范围DC/DC转换器。非隔离升压级之后是常规的4:1隔离式DC/DC转换器。
根据这个原理，RECOM提供四种不同输入电压范围为10:1或12:1的多合一超宽输入范围DC/DC转换器：
每个转换器系列都可以在24V、28V、36V、48V、72V、96V或110Vdc标称电源电压下工作，包括EN50155标准所定义的欠压和过电压瞬态。转换器提供12V、15V、25V或48V的隔离输出。 40W和60W版本也具有5V输出。
转换器在整个输入电压范围内具有稳定的效率，因此仅需要一款产品来涵盖所有的铁路电源电压，从而减少最终安装所需的物流、文档以及技术支持等费用。这也意味着该电源可用于干线铁路、轻轨或电车应用，从而降低开发和生产成本。
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References
1, Please refer to the DC/DC Book of Knowledge,
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