【導(dǎo)讀】從低功率測(cè)試測(cè)量設(shè)備，到大功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，DC/DC轉(zhuǎn)換器幾乎能夠應(yīng)用在如醫(yī)療、運(yùn)輸設(shè)備等任何一個(gè)行業(yè)中。使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要原因是將負(fù)載電壓和電源電壓相匹配（例如從24V供電給3.3V微處理器板）、輸出與輸入端之間相互隔離（例如一個(gè)電氣隔離轉(zhuǎn)換器可以保護(hù)患者免受危險(xiǎn)電壓的傷害），同時(shí)增加故障保護(hù)功能（幾乎所有穩(wěn)壓輸出轉(zhuǎn)換器都可以承受輸出端的永久短路）。
大多數(shù)工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)換器具有2:1或4:1的輸入電壓范圍。例如，標(biāo)稱24V輸入的2:1轉(zhuǎn)換器可在18-36Vdc范圍內(nèi)工作（24V鉛酸電池的電壓范圍，包括電池充電器的開路電壓），而4:1轉(zhuǎn)換器可在9-36V范圍內(nèi)工作（12V或24V鉛酸電池的電壓范圍）。
很少有隔離式轉(zhuǎn)換器提供超過4:1的輸入電壓范圍。原因有兩個(gè)，第一是最小輸入電壓的輸入電流至少是最大輸入電壓下輸入電流的四倍，因此很難設(shè)計(jì)一個(gè)既能處理范圍一端的高輸入電壓，又能處理另一端高輸入電流的輸入級(jí)。第二個(gè)原因是隔離式轉(zhuǎn)換器通常使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓且不受輸入電壓或輸出負(fù)載影響，而有效的調(diào)節(jié)范圍僅4:1，由最小開啟時(shí)間與最大關(guān)斷時(shí)間之比來定義。
之所以有最小開啟時(shí)間的原因是它是功率級(jí)的反應(yīng)時(shí)間。如果脈沖寬度減得太多，那么功率開關(guān)晶體管將無法迅速地做出反應(yīng)。此外，在這個(gè)極窄的脈沖中的任何抖動(dòng)都會(huì)被功率級(jí)放大，從而導(dǎo)致輸出電壓的調(diào)節(jié)性降低（如果1ms脈沖的抖動(dòng)為100μs，輸出電壓變化為10%）。在另一端，在最小輸入電壓下，驅(qū)動(dòng)晶體管無法一直保持開啟狀態(tài)，因此必須以最小的關(guān)斷時(shí)間將其關(guān)斷。脈沖的關(guān)斷時(shí)間必須足以讓變壓器復(fù)位，所以通常比最小開啟時(shí)間長得多。這兩個(gè)脈沖寬度的限制說明了PWM控制器不能在超過4:1的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并同時(shí)保持正常的調(diào)節(jié)性能。
圖1：PWM控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器工作原理（來源：DC/DC知識(shí)手冊(cè)，RECOM）
標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍由電信系統(tǒng)定義（12V、24V或48VDC電池電源）。鐵路應(yīng)用還會(huì)使用更高的72V、96V或110V電池電壓。最常見的干線鐵路總線電壓是110Vdc，但是輕軌和電車通常使用較低的電池電壓。針對(duì)機(jī)車車輛用電子設(shè)備的EN50155標(biāo)準(zhǔn)在最新版本中還包括了28V和36V的選項(xiàng)：
圖2：根據(jù)EN50155:2017的DC輸入電壓范圍（包含瞬態(tài)）
我們可以馬上看到EN50155標(biāo)準(zhǔn)的輸入電壓范圍和傳統(tǒng)的DC/DC輸入電壓規(guī)格存在的問題。傳統(tǒng)的三種DC/DC轉(zhuǎn)換器（標(biāo)稱24V、48V和110V）適用于所有標(biāo)準(zhǔn)鐵路電源電壓包括瞬態(tài)，但是增加的28V電池電壓會(huì)打破這個(gè)模式。雖然28V系統(tǒng)的標(biāo)稱電源電壓在24V DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)，但是最大電源電壓過高。雖然28V的最大輸出電壓在48V DC/DC轉(zhuǎn)換器的范圍內(nèi)，但最小電壓又太低，結(jié)果都不適合！
針對(duì)這個(gè)難題有兩種解決方案：增加一個(gè)標(biāo)稱36V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器，讓四種不同設(shè)計(jì)涵蓋所有輸入電壓，或者設(shè)計(jì)一個(gè)11:1輸入范圍的轉(zhuǎn)換器，讓一個(gè)轉(zhuǎn)換器涵蓋所有可能的情況。
此時(shí)您可能會(huì)想：“等等！首先我們聽到4:1是極限，而現(xiàn)在提出了11:1的解決方案！” 是的，雖然沒有辦法解決4:1輸入范圍問題，但是您可以將兩個(gè)轉(zhuǎn)換器組合在一起，先是一個(gè)低輸入電壓的前置轉(zhuǎn)換器升壓，接著是高輸入電壓隔離4:1轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)在于輸入電壓高于設(shè)定輸出電壓時(shí)，功率晶體管會(huì)一直處于關(guān)斷狀態(tài)，然后輸入電壓直接通過二極管的負(fù)壓降（圖3）。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)不需要隔離，所以也不需要考慮變壓器的復(fù)位時(shí)間，同時(shí)輸入電壓范圍可以遠(yuǎn)大于4:1。因此，輸入范圍不僅限于8:1（4:1接著4:1），而且可以達(dá)到12:1（8:1接著4:1），如圖4所示。
圖3：升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。如果Vin> Vout，輸出電壓隨著輸入電壓升高。
圖4：12:1輸入范圍DC/DC轉(zhuǎn)換器。非隔離升壓級(jí)之后是常規(guī)的4:1隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)這個(gè)原理，RECOM提供四種不同輸入電壓范圍為10:1或12:1的多合一超寬輸入范圍DC/DC轉(zhuǎn)換器：
每個(gè)轉(zhuǎn)換器系列都可以在24V、28V、36V、48V、72V、96V或110Vdc標(biāo)稱電源電壓下工作，包括EN50155標(biāo)準(zhǔn)所定義的欠壓和過電壓瞬態(tài)。轉(zhuǎn)換器提供12V、15V、25V或48V的隔離輸出。 40W和60W版本也具有5V輸出。
轉(zhuǎn)換器在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的效率，因此僅需要一款產(chǎn)品來涵蓋所有的鐵路電源電壓，從而減少最終安裝所需的物流、文檔以及技術(shù)支持等費(fèi)用。這也意味著該電源可用于干線鐵路、輕軌或電車應(yīng)用，從而降低開發(fā)和生產(chǎn)成本。
References
1, Please refer to the DC/DC Book of Knowledge,
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