點(diǎn)式ATC系統(tǒng)車地通信設(shè)備功率放大器的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)目前點(diǎn)式ATC系統(tǒng)車地通信設(shè)備功率放大器多采用OCL電路造成放大電路效率低、功率器件長(zhǎng)期使用會(huì)過(guò)熱損壞及造成設(shè)備溫度過(guò)高使得設(shè)備其他電子器件性能發(fā)生變化的缺點(diǎn)，結(jié)合點(diǎn)式ATC系統(tǒng)車地通信設(shè)備功率放大器的技術(shù)要求設(shè)計(jì)了效率高、尺寸小、散熱器面積小的功率放大器。文中給出了設(shè)計(jì)原理及部分技術(shù)參數(shù)。該功率放大器已在多條城市軌道交通線路的點(diǎn)式ATC系統(tǒng)車地通信設(shè)備上運(yùn)用，其性能穩(wěn)定、可靠，均達(dá)到運(yùn)用要求。

關(guān)鍵詞：功率放大器；車地通信設(shè)備；ATC

1 概述

1.1 目前點(diǎn)式ATC系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用情況

目前，在我國(guó)城市軌道交通上比較流行連續(xù)式通信級(jí)列車控制（CBTC）。CBTC系統(tǒng)通過(guò)車地雙向通信，使地面信號(hào)設(shè)備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息和列車其他運(yùn)行信息，并據(jù)此計(jì)算出每一列車的移動(dòng)授權(quán)，且動(dòng)態(tài)更新，實(shí)時(shí)發(fā)送給列車，這樣后行列車追蹤目標(biāo)點(diǎn)就可以是前行列車的尾部，從而可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞，使系統(tǒng)能夠獲得更小的列車運(yùn)行間隔。但，在擁有CBTC的同時(shí)整套ATC系統(tǒng)必須能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式通信級(jí)列車控制（ITC）。這是因?yàn)楫?dāng)CBTC的軌旁ATP設(shè)備、車地?zé)o線通信設(shè)備故障等狀況下，能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)提供一種降級(jí)運(yùn)營(yíng)的手段，保證全線運(yùn)營(yíng)不受大的影響。點(diǎn)式ATC系統(tǒng)也可以獨(dú)立成為一套完整的系統(tǒng)，為開(kāi)通初期提供獨(dú)立點(diǎn)式ATC系統(tǒng)的解決方案。同時(shí)，在一些客流較少，對(duì)車隔要求不苛刻的城市軌道線路，一般多采用點(diǎn)式ATC系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)式ATC系統(tǒng)穩(wěn)定性好，并且造價(jià)較低。其構(gòu)成示意如圖1所示。

1.2 車地通信設(shè)備在點(diǎn)式ATC系統(tǒng)中的作用

車地通信（TWC）設(shè)備在點(diǎn)式ATC系統(tǒng)中起著信息傳遞的作用，TWC設(shè)備把車載停穩(wěn)停準(zhǔn)等信息發(fā)送給區(qū)域控制中心和ATS，同時(shí)把區(qū)域控制中心發(fā)出的信息和ATS發(fā)出的信息傳遞給列車。當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)，TWC設(shè)備從同步載頻中提取出過(guò)交叉點(diǎn)信息，發(fā)送給車載ATP和ATO，用于ATO精確停車和ATP站臺(tái)位置校準(zhǔn)[1]。

TWC設(shè)備能滿足車載ATC設(shè)備對(duì)信息量和精確停車的要求，TWC設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，是信息的載體，TWC設(shè)備傳遞的信息流程如圖2。

2 功率放大器在TWC設(shè)備中的作用及目前存在的問(wèn)題

2.1 功率放大器在TWC設(shè)備中的作用

功率放大器是TWC設(shè)備中重要的組成部分，它起到將車地通信的模擬信號(hào)（一般采用FSK信號(hào)）放大，以達(dá)到輸出要求的作用。有時(shí)為使TWC設(shè)備處于閉環(huán)結(jié)構(gòu)，功率放大器還起到檢測(cè)輸出電壓反饋給TWC設(shè)備邏輯控制部分的作用。

2.2 目前存在的問(wèn)題

TWC設(shè)備中的功率放大器目前多采用乙類推挽放大電路。功率晶體管工作在線性放大狀態(tài)，晶體管自身耗散功率大，因而需要為功率管安裝有效面積較大的散熱器。其缺點(diǎn)是放大電路效率低，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)用時(shí)功率器件容易因過(guò)熱而損壞，同時(shí)造成設(shè)備環(huán)境溫度升高及電子器件性能變化[2]。

3 改進(jìn)的TWC設(shè)備功率放大器的設(shè)計(jì)

針對(duì)2.2節(jié)提出的目前存在的問(wèn)題和TWC設(shè)備功率放大器發(fā)送功率較高（約50W）的技術(shù)要求，決定將該功率放大器設(shè)計(jì)成D類功放。D類功放使功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此時(shí)管子僅在飽和導(dǎo)通時(shí)消耗功率，而且由于管壓降很小，故無(wú)論電流大小，管子的瞬時(shí)功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，電路的效率必然較高[3]。因此D類功放滿足效率高、尺寸小、散熱器面積小的設(shè)計(jì)要求。D類功放采用脈寬調(diào)制（PWM）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)它的高效率[4]。

3.1 改進(jìn)的功率放大器原理

對(duì)于改進(jìn)的功率放大器設(shè)計(jì)成由四支MOSFET管組成的橋式推挽D類功率放大電路。采用ZXCD1000控制芯片作為控制電路。功率放大器還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)電路：（1）延時(shí)上電電路，以防止上電時(shí)瞬間沖擊電流損壞MOSFET管。（2）過(guò)流保護(hù)電路，通過(guò)在MO

SFET管的源極采用取壓電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓與規(guī)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較來(lái)對(duì)功率放大器進(jìn)行過(guò)流報(bào)警保護(hù)。改進(jìn)后的功率放大器的原理框圖如圖3所示。

3.2 改進(jìn)的功率放大器部分技術(shù)參數(shù)

改進(jìn)的功率的放大器的部分技術(shù)參數(shù)如下：（1）頻率響應(yīng)：15K

至55K；（2）輸出功率：在直流48V供電下，負(fù)載24歐姆下電壓為24V。（3）輸出過(guò)流報(bào)警：大于2安培輸出報(bào)警。（4）信號(hào)失真度：為8%。（5）輸出檢測(cè)電壓：為匹配輸出電壓的1/20。（6）匹配變壓器的匝數(shù)比：為32比20。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用橋式推挽的D類功放對(duì)點(diǎn)式ATC的車地通信設(shè)備功率放大器進(jìn)行類改進(jìn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有設(shè)備的缺點(diǎn)，提高了電路的效率、減小了電路的尺、減小了散熱器的面積等。該功率放大器在多條城軌線路上已經(jīng)成功運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張杰.FZL.H型TWC設(shè)備工廠系統(tǒng)測(cè)試方案研究[J].鐵路通信信號(hào)工程，2012（8）.

[2]王建國(guó).D類功率放大器在城軌交通ATP系統(tǒng)數(shù)字軌道電路中的應(yīng)用[J].鐵路通信信號(hào)工程，2004（2）.

[3]華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：中國(guó)高等教育出版社，2006.

[4]K.Nielsen，Karsten.A review and comparation of pulse width modulation（PWM） methods for analog and digital input switching power amplifiers[Z].Proc.102nd AES convention，Mar 1997.

作者簡(jiǎn)介：王國(guó)鋒（1977，10-），男，漢族，甘肅古浪，沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，工程師，學(xué)士，研究方向：地鐵列車信號(hào)控制系統(tǒng)。