隔離電源在軌道交通設(shè)備中的EMC設(shè)計

隨著鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，為了提高車載運行的可靠性和提高乘客的舒適性，大量的電子設(shè)備被應(yīng)用于軌道交通中。根據(jù)《車載電子設(shè)備標準》EN 50155-2007標準要求，車載設(shè)備除需滿足基本性能、可靠性指標之外，同時還需滿足相應(yīng)的電磁兼容指標要求。本文結(jié)合車載設(shè)備電磁兼容標準EN 50121-3-2標準，簡單闡述設(shè)備的電磁兼容指標，通過案例應(yīng)用分析，總結(jié)軌道交通設(shè)備電磁兼容設(shè)計方法。

1.引言

軌道交通設(shè)備的電磁兼容是指在軌道交通運營的電磁環(huán)境中，軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與外界之間，能夠正常工作、對其它設(shè)備不構(gòu)成電磁干擾，在同一個電磁環(huán)境下共同執(zhí)行各自功能的狀態(tài)。 軌道交通是一種安全運輸設(shè)備，對設(shè)備的可靠性、設(shè)備與設(shè)備之間的兼容性要求非常高。在惡劣的車內(nèi)與車外電磁環(huán)境當中，如果設(shè)備受到干擾而造成誤動作、或者損壞則會對設(shè)備的安全運行造成非常嚴重的后果，甚至會導(dǎo)致嚴重的安全事故，因此，電磁兼容是軌道交通設(shè)備必須解決的問題。

2.軌道交通設(shè)備電磁兼容要求

根據(jù)EN50155-2007標準中的電磁兼容部分，軌交設(shè)備必須滿足EN50121-3-2標準中相關(guān)的電磁兼容指標要求，詳細如下：

3.隔離電源在機車走行部監(jiān)測裝置主機中的應(yīng)用

為保證設(shè)備的可靠性，此類設(shè)備的主電源會使用隔離模塊電源實現(xiàn)，以下為整個系統(tǒng)的電源應(yīng)用框圖，如圖1所示：

圖 1 機車走行部監(jiān)測裝置主機電源方案框圖

如圖1所示為機車走行部車載監(jiān)測裝置主機電源應(yīng)用方案框圖，整個系統(tǒng)接入110VDC直流電網(wǎng)。根據(jù)EN50155標準要求，110V供電系統(tǒng)需滿足0.6UN-1.4UN電壓范圍，因此主電源需選擇一個寬輸入電壓范圍的隔離模塊電源。同時整個設(shè)備電源整體功率低于30W，考慮到降額問題，推薦URF1D15QB-50WH——輸入電壓范圍滿足40-160VDC，且滿足EN50155標準，為實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性提供第一道保護。

為滿足軌道交通電磁兼容標準EN 50121-3-2要求，前端可配置鐵路電源專用濾波器，推薦FC-CX3D；

為進一步提供系統(tǒng)可靠性，主控制電路經(jīng)過二次隔離，使用VRB1205YMD-10WR3用于MCU、顯示屏及操作按鍵等供電；

同時，此設(shè)備需要將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿緳C顯示平臺，以判斷設(shè)備工作狀況及數(shù)據(jù)信息，推薦適合長距離傳輸?shù)?85通信。為增加傳輸可靠性，推薦使用自帶隔離電源的485隔離收發(fā)模塊TD521D485H。

整體電源方案在滿足功能需求及安全隔離，同時又便于整體系統(tǒng)簡化設(shè)計和穩(wěn)定可靠。

4.軌道交通設(shè)備電磁兼容設(shè)計方法

4.1 防護濾波

為使軌道交通設(shè)備安全可靠工作，通常主電源會選取國際標準封裝的隔離電源進行模塊化設(shè)計?？v觀市場上的軌道交通設(shè)備隔離電源，特別是大功率的DC/DC隔離電源。由于受制于體積原因，無法將EMC防護濾波器件集成于模塊內(nèi)部，而軌交設(shè)備必須滿足相應(yīng)的電磁兼容標準要求，因此電源廠商會開發(fā)配套的濾波器或者提供相應(yīng)的EMC解決方案供客戶端設(shè)計選擇。所以在設(shè)計輸入電源濾波時，盡可能按照電源廠商提供的濾波器或EMC解決方案進行設(shè)計。  

如圖1中的EMC防護濾波即使用金升陽鐵路電源配套EMC輔助器FC-CX3D進行設(shè)計的，同時客戶也可以根據(jù)自身需求，選擇分立器件進行設(shè)計。 金升陽電源URF1D15QB-50WH、VRB1205YMD-10WR3針對輸入端的EMI濾波、EMS防護均有配套的EMC解決方案供客戶設(shè)計參考。

選擇輸入電源濾波方案僅僅是設(shè)計的開始，如何對方案進行合理的布局布線，達到最優(yōu)的效果才是最重要也是最難的。針對輸入電源濾波電路布局布線，總結(jié)以下三點建議：

（1）DC/DC防護器件放置于接口位置，遵循“防護+輸入濾波+隔離電源+輸出濾波”的原則。

（2）布局時盡量遵循走直線的方式，避免“U”字型或“Z”字型布局走線，以免降低防護濾波的效果或失效。

（3）防護濾波電路（輸入濾波與輸出濾波）在布局走線時，以走PCB導(dǎo)線的方式設(shè)計，禁止在下方作鋪銅設(shè)計；隔離電源模塊下方不要布電路及信號線。

4.2 信號處理

如圖1所示，存在很多傳感器裝置，實現(xiàn)對機車運行狀態(tài)進行采集。通過AD模數(shù)處理后反饋給MCU，然后通過數(shù)據(jù)傳輸至司機室或主控制室，以判定機車運行的安全狀態(tài)。此種功能就決定了此設(shè)備必須滿足高性能的電磁兼容性能。信號是設(shè)備最敏感的電路之一，極容易受到ESD、RS、EFT、SURGE、CS的影響，為盡可能降低信號對噪聲的敏感度，以下兩方面需重點考慮：

（1）信號電路設(shè)計：

針對敏感信號，如傳感器、采集處理電路、小信號控制電路、通信電路、復(fù)位電路、報警電路、液晶顯示電路等敏感電路，在設(shè)計時均要做一定的濾波處理。

可采取電容濾波、RC濾波、LC濾波，濾波電路在布局時要靠近電路端口且環(huán)路保持最小化；

信號接口電路端口一定要放置防護濾波器件且靠端口放置。

（2）信號PCB設(shè)計：

信號部分，PCB盡可能使用多層板并合理分層，如4層板及以上；

信號線在布局時遠離噪聲電路，如數(shù)字電路、開關(guān)電路、時鐘電路等；信號線在走線時，不要靠近板邊緣且走線盡可能短。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

軌道交通設(shè)備的外殼一般都是金屬殼。金屬殼接地對靜電有很好的泄放作用，同時對RE、RS有很好的屏蔽作用。但是如果機殼的結(jié)構(gòu)沒有設(shè)計好，不僅起不到應(yīng)有的作用，有時會引起反作用。

針對金屬機殼的設(shè)計，有以下幾點需重點關(guān)注：

（1）接地：金屬機殼接地推薦采用單點接地，即輸入濾波器的地就近接至金屬機殼，然后在金屬殼接地處設(shè)計安全接地點；為保證良好接地，應(yīng)大面積接地，可使用墊片處理，接地區(qū)域不應(yīng)有氧化漆；預(yù)留在設(shè)備內(nèi)部的接地線長度盡可能短，一般不應(yīng)超過5cm。

（2）外形設(shè)計：設(shè)備的外殼一般不是一個完整的封閉外殼，是通過幾部分組合而成的，這就導(dǎo)致屏蔽效能變差、阻抗變高，對輻射、靜電均有影響。為盡可能提升金屬機殼的作用，在組合設(shè)計時，接合處應(yīng)采取錯位對接且每隔10cm左右用螺絲固定；孔、洞設(shè)計時，盡量采取圓形孔或六邊形孔，孔徑不應(yīng)超過系統(tǒng)最高工作頻率的λ/20。

4.4 隔離電源“非隔離”應(yīng)用

進行系統(tǒng)設(shè)計時，常有將隔離電源之后的電源地或信號地以直接或間接的方式與安全地相連接的情況，認為此設(shè)計能有效的改善靜電泄放路徑，如果不連接則靜電無處泄放。實則不然。相連接時確實人為地提供一條靜電泄放路徑，但是不連接也并非沒有路徑了。

隔離電源在設(shè)計時為了改善紋波噪聲或EMI性能時，通常會在電源的原邊與副邊使用高壓隔離電容，一般為1nF--3nF左右。有此路徑后，后端的靜電可以形成自泄放路徑。只要保證隔離電源之后的信號與金屬機殼滿足共模浪涌電壓等級的安全距離及接口信號增加靜電防護濾波電路之后，靜電一般都不會有問題。將隔離之后的電源地或信號地直接連接于安全地之后，進行共模浪涌測試時反而往往會出現(xiàn)損壞、拉弧或復(fù)位的情況，將此路徑斷開后，共模浪涌就不存在問題。

如圖2所示，此種隔離電源應(yīng)用是電源廠家不提倡或禁止的設(shè)計。主要原因是進行共模浪涌測試時（如Vin+對PE、Vin-對PE），就相當于在輸入與輸出之間進行隔離耐壓試驗。

平時的隔離耐壓測試漏電流都是預(yù)先設(shè)置好的，非常小，就算隔離強度達不到要求也不至于損壞產(chǎn)品。，而共模浪涌電壓的能量是非常高的，浪涌電流達到167A（以2KV浪涌作參考）。如果隔離電源的隔離強度達不到要求，擊穿瞬間將有大能量進入電源內(nèi)部或后端負載，系統(tǒng)損壞、拉弧、復(fù)位也是常有的現(xiàn)象，同時隔離電源也容易失效。

如果后端信號一定要接PE，則如圖3是推薦的設(shè)計方法，可通過高壓電容進行連接，同時此電容的容值盡量在1nF左右。

5.總結(jié)

軌道交通是一種安全運輸工具，內(nèi)部各設(shè)備的可靠性、兼容性對運輸?shù)陌踩兄浅Ｖ匾挠绊?。隨著軌道交通的高速化發(fā)展，標準化、模塊化設(shè)計已經(jīng)成為當下的趨勢，首當其沖的就是電源模塊化。當前國際標準封裝的鐵路隔離電源受制于體積封裝的原因，無法將所有EMC電路集成化，然而針對不同的應(yīng)用需求，金升陽開發(fā)出了一系列滿足鐵路行業(yè)標準EN50155的模塊化電源，同時提供完善的EMC配套服務(wù)與技術(shù)支持，為軌道交通設(shè)備保駕護航。

參考文獻：

1、EN50121-3-2:《Railway applications —Electromagnetic compatibility —Part 3-2: R