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適用于鐵路環(huán)境的低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器

發(fā)布時(shí)間:2022-01-21 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在復(fù)雜的國(guó)際鐵路市場(chǎng)中,如何有效利用鐵路車輛是關(guān)鍵。感知設(shè)備的狀況、狀態(tài)和位置然后進(jìn)行匯報(bào)可以做出“明智”的決策,從而提高車輛可用性同時(shí)降低成本。然而,多個(gè)傳感器和發(fā)射器需要低成本的電源,必須易于集成、符合鐵路電氣和環(huán)境規(guī)范,且經(jīng)濟(jì)地升級(jí)現(xiàn)有的車輛。本文介紹了在常見的鐵路傳感應(yīng)用中使用這種DC/DC轉(zhuǎn)換器以及具有必要認(rèn)證的現(xiàn)成產(chǎn)品系列。


全球鐵路網(wǎng)絡(luò)持續(xù)增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2020年鐵路網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到138萬公里,市場(chǎng)價(jià)值為1800億歐元[1]。特別是亞太地區(qū)的增長(zhǎng)幅度,中國(guó)和印度都在鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施投入巨資。提升生活水平、流動(dòng)的新興經(jīng)濟(jì)體、鐵路旅游以及推動(dòng)永續(xù)和環(huán)保的交通皆是增長(zhǎng)的動(dòng)力。現(xiàn)在的軌道網(wǎng)絡(luò)正迅速變得過度擁擠,因此持續(xù)使用陳舊的車輛以滿足需求,可能會(huì)出現(xiàn)故障導(dǎo)致延誤、網(wǎng)絡(luò)中斷,甚至是災(zāi)難性的脫軌。雖然可以不斷地開發(fā)新路線和購(gòu)買新車輛,但是計(jì)劃延遲、提高融資以及成本超支等問題讓擴(kuò)建現(xiàn)有的鐵路網(wǎng)絡(luò)變得困難。 


有效利用資產(chǎn)是關(guān)鍵


提高鐵路網(wǎng)絡(luò)容量的一種方法是讓新舊車輛“智能化”以提高利用率。這包括精準(zhǔn)掌握運(yùn)行和閑置的車輛位置以增加交通密度,同時(shí)結(jié)合傳感器監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀況。遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)(RCM)是收集數(shù)據(jù)的方法,狀態(tài)檢修(CBM)則是分析數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)何時(shí)需要維護(hù)或修復(fù)。通過這兩種技術(shù)安排必要的維修和避免不必要的預(yù)防性維護(hù)來加強(qiáng)可靠性、提升可用性以及節(jié)省成本。 


“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”包括簡(jiǎn)單的狀態(tài)信息,例如行駛距離和運(yùn)輸占用率,可進(jìn)一步用于乘客分析和提升效率。這個(gè)想法符合更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)趨勢(shì),思科在一份報(bào)告[2]中表示在未來的12年內(nèi),鐵路在IoT應(yīng)用上的花費(fèi)將高達(dá)300億美元。 


遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要傳感器


可以透過感測(cè)各種參數(shù)來確定設(shè)備的狀況和狀態(tài),包括軸計(jì)數(shù)器、軸承溫度、沖擊/振動(dòng)、噪聲、電源電壓波動(dòng)、門運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)、利用率、光照水平以及空氣質(zhì)量等。雖然基本的傳感器可以是無源組件,例如熱敏電阻,但現(xiàn)在的趨勢(shì)是以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、數(shù)據(jù)記錄器和有線或無線接口(遠(yuǎn)程(LoRa)或WLAN無線電)的形式為傳感器增加智能或“邊緣計(jì)算”,也可以在車輛上增加GPS以取得詳細(xì)的位置。擁有獨(dú)立的通信傳感器意味著更容易升級(jí)舊設(shè)備,在新設(shè)計(jì)中可以減少布線并根據(jù)需求來增加或自定義不同的功能。 


傳感器需要電力


大多數(shù)傳感器只需要幾瓦的功率即可運(yùn)行,由主系統(tǒng)電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。電壓通常為110VDC,但也可以使用其他標(biāo)稱電壓如24V(圖1)。多通道傳感器或驅(qū)動(dòng)本地執(zhí)行器時(shí)的功率要求可能更高,可能高達(dá)40W。實(shí)際上,傳感器及其處理器的低壓電源必須來自本地, 如果從大功率集中供電轉(zhuǎn)換器的電壓分配到各個(gè)處理器會(huì)導(dǎo)致不可接受的瞬態(tài)和噪聲問題。此外,每個(gè)傳感器的DC/DC轉(zhuǎn)換器都需要電流隔離以避免與大功率接地回路共地和交叉干擾。 


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圖1:各種電源標(biāo)稱值及變化


問題是110V并不“干凈”; 鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN 50155-2017規(guī)定在正常運(yùn)行中電壓可以有+25%/-30%的變化,在100ms的短時(shí)間內(nèi)下降至標(biāo)稱電壓的60%或上升至140%,不會(huì)造成功能偏差,性能可在一秒內(nèi)有些微下降。實(shí)際上,連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器必須在整個(gè)范圍內(nèi)工作加上一定的余量,通常為43-160VDC。圖1顯示了DC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)4:1輸入范圍,說明某些轉(zhuǎn)換器可以符合一些鐵路要求,而輸入范圍為10:1的理想轉(zhuǎn)換器則可以應(yīng)對(duì)所有變化。 


DC-DC轉(zhuǎn)換器通常還必須能夠滿足EN 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)中定義的快速瞬態(tài)過電壓要求,簡(jiǎn)單的LC濾波器和瞬態(tài)抑制器可以減弱這些過電壓。EN 50155還將電源中斷定義成S1、S2和S3三個(gè)類別,最壞的情況是標(biāo)稱輸入電壓中斷20ms但不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出電性能造成影響。這通常需要串聯(lián)隔離二極管之后外接保持電容,同時(shí)二極管也提供反極性保護(hù)。 


圖2的示例為車廂溫度傳感器使風(fēng)扇運(yùn)行并通過無線連接發(fā)出列車溫度和狀態(tài)信號(hào)。這是RECOM的一款緊湊型8W DC/DC轉(zhuǎn)換器(32 x 20 x 10mm),輸入范圍為43V至160V,為傳感器提供隔離穩(wěn)壓電源,同時(shí)具有反極性保護(hù)和輸出電壓保持功能。根據(jù)EN 50121-3-2(軌道交通電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)),DC/DC已經(jīng)具有很好地EMC性能,但在設(shè)計(jì)中可以在輸入端增加額外的EMI濾波器來達(dá)到低傳導(dǎo)發(fā)射和提高瞬態(tài)抗干擾能力。 


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圖2:溫度傳感器的鐵路應(yīng)用


符合規(guī)范RIA 12


除了上述的標(biāo)準(zhǔn)以外可能還需要遵守英國(guó)RIA 12規(guī)范,該規(guī)范定義的浪涌能量比EN 50155更高,在110V系統(tǒng)中高達(dá)385V/20ms。由于源阻抗僅為0.2歐姆,簡(jiǎn)單地用瞬態(tài)電壓抑制器限制輸入電壓會(huì)損耗太多功率并且會(huì)損壞輸入保險(xiǎn)絲或TVS。解決方案是使用預(yù)穩(wěn)壓器(圖3)將浪涌電壓抑制到預(yù)設(shè)的最大值。RECOM提供20W、150W或300W三種DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊。 


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圖3:電涌保護(hù)器的RIA 12應(yīng)用


環(huán)境應(yīng)力


鐵路傳感應(yīng)用中的DC-DC轉(zhuǎn)換器可能受到?jīng)_擊、振動(dòng)、溫度和濕度的極端影響。設(shè)備的安裝位置決定了使用的類別和等級(jí),這些都在EN 61373標(biāo)準(zhǔn)中有清楚定義。大部份的DC-DC電源會(huì)安裝在相對(duì)良好的1類B級(jí)的環(huán)境之中(安裝在車廂機(jī)柜內(nèi)),但仍可能需要額外的加固和封裝。設(shè)備使用壽命約20年因此必須通過全面的電性能、HALT、溫度循環(huán)和高溫老化等測(cè)試來對(duì)可靠性進(jìn)行徹底的確認(rèn)和驗(yàn)證。由于110VDC是一種 “不安全” 的電壓,因此轉(zhuǎn)換器還必須具有通過認(rèn)證的加強(qiáng)絕緣以防止在二次連接時(shí)遭受電擊。 


提供合格的現(xiàn)成解決方案


RECOM [3] 及近期收購(gòu)的意大利公司Power Control Systems(PCS)[4]擁有許多符合EN 50155標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器或完整的鐵路解決方案,提供低功率(8W-240W)至高達(dá)2kW的定制模塊,多種輸入電壓范圍涵蓋所有鐵路標(biāo)稱值,包括16-160V超寬輸入范圍。 


憑借長(zhǎng)期的鐵路應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),公司還可以提供全面的技術(shù)支持、詳細(xì)的EMC評(píng)估和環(huán)境合規(guī)報(bào)告。PCS提供板卡式安裝以及板卡和機(jī)架式產(chǎn)品以滿足客制化的需求,RECOM則專注于PCB安裝低功率DC/DC模塊和參考設(shè)計(jì),包括符合EN 50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)24-48V或72-110V DC標(biāo)稱輸入電壓轉(zhuǎn)換器的EMI濾波電路(參考設(shè)計(jì)分別為R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2)。 


鐵路級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源提供一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的途徑,可將低功率傳感和遙測(cè)技術(shù)融入現(xiàn)有的鐵路車輛和新設(shè)計(jì)之中,從而協(xié)助實(shí)現(xiàn)鐵路界的IoT。 


參考文獻(xiàn)


[1] Statista: https://www.statista.com/topics/1088/rail-industry/

[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/

[3] RECOM: www.recom-power.com

[4] Power Control Systems: https://www.powercontrolsystems.com



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