機(jī)車車載TAX箱驅(qū)動電源可靠性設(shè)計與分析

韓進(jìn)霞

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613)

機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測裝置（簡稱TAX 箱）是一種機(jī)車安全信息共享的工作平臺，與LKJ、機(jī)車信號并稱為機(jī)車車載三大設(shè)備，其工作穩(wěn)定性對于機(jī)車安全運(yùn)行意義重大。該裝置內(nèi)部采取驅(qū)動電源集中供電方式，以保證該裝置串行通信功能、記錄功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲功能、數(shù)據(jù)分析處理功能以及語音錄音功能正常實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

TAX 箱主要由電源單元、通信記錄單元、語音錄音單元組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 TAX箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.1 TAX box system structure diagram

TAX 箱內(nèi)部單元布置示意如圖2 所示。

圖2 TAX箱內(nèi)部單元布置示意 Fig.2 Schematic diagram of TAX box internal unit layout

2 驅(qū)動電源可靠性設(shè)計需求分析

TAX 箱的驅(qū)動電源在設(shè)計時不僅需考慮其正常技術(shù)參數(shù)如驅(qū)動電源容量、功率等指標(biāo)，更需要考慮電源端口過欠壓、過流和浪涌、抗干擾防護(hù)方面的設(shè)計。

首先，TAX 箱驅(qū)動電源設(shè)計需要滿足如下主要技術(shù)參數(shù)：

輸入電壓： 直流50 ～180 V；

輸出電壓1: 5 V±0.15 V 2 A；

輸出電壓2: ±12 V±1 V 0.4 A；

輸出電壓3: 15 V±1.2 V 2 A；

輸出電壓4: 24 V±2 V 0.4 A。

驅(qū)動電源為各功能單元提供的負(fù)載電流是一定的，為保證各功能單元正常工作，各功能單元可以從電源單元獲取5、±12、15、24 V 電源，但：

5 V 電源取電流應(yīng)≤150 mA；

±12 V 電源取電流應(yīng)≤90 mA；

15 V 電源取電流應(yīng)≤240 mA；

24 V 電源取電流應(yīng)≤40 mA。

當(dāng)各功能單元所需電源容量超過以上規(guī)定時，需要該單元引入110 V 電源變換后產(chǎn)生其所需電源。

其次，為滿足電源單元可靠工作，電源單元設(shè)計應(yīng)考慮如下功能。

1）電源單元輸出過流保護(hù)

電源單元的輸出超過電流上限后應(yīng)立即停止輸出，以免設(shè)備因電流過大毀損。

2）輸入電壓防護(hù)

電源單元在輸入電壓大于180 V 或者小于50 V時，應(yīng)自動停止工作，在輸入電壓恢復(fù)到正常值時，能夠自動開始工作。

3）輸出電壓防護(hù)

要求電源單元在輸出電壓超出異常時，自動停止工作，防止因為電壓輸出異常毀損設(shè)備。

3 驅(qū)動電源設(shè)計方案

針對電源板需求提出如圖3 所示設(shè)計方案。

圖3 電源板工作原理示意圖 Fig.3 Schematic diagram of power supply board working principle

3.1 110 V轉(zhuǎn)15 V電路設(shè)計

如圖4 所示，圖框1 中110 V 輸入電壓進(jìn)入經(jīng)過壓敏電阻、氣體放電管和一個薄膜電容以及磁介質(zhì)電容器后進(jìn)入圖框2 中，在110 V 電源輸入部分設(shè)計采用壓敏電阻主要目的在電路承受過壓時進(jìn)行電壓嵌位，吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件；將氣體放電管用在保護(hù)電路的第一級主要功能是泄放雷電暫態(tài)過流和限制過壓。圖框2 是一個高頻扼流圈，可以遏制高頻交流電流讓低頻和直流通過。圖框3是尖峰電壓吸收電路，吸收Q3 功率開關(guān)管在關(guān)斷時產(chǎn)生的上升尖峰電壓能量，減少尖峰電壓幅值，防止Q3 擊穿。

如圖5 所示，圖框1 內(nèi)的電路是帶濾波電容的中點抽頭橋式整流電路，可以濾除脈動直流電壓中的交流成分。圖框2 內(nèi)的電路是輔助供電電路。

如圖6 所示，圖框1 電路功能是檢測輸入電壓，實現(xiàn)輸入過欠壓保護(hù)。R14 用來設(shè)定過載補(bǔ)償?shù)纳疃取D框2 內(nèi)的電路實現(xiàn)的功能是電壓反饋。圖框3 內(nèi)的電路實現(xiàn)功能是MOS 驅(qū)動和電流采樣。

3.2 12、5、24 V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

圖4 110 V轉(zhuǎn)15 V電路輸入部分 Fig.4 Input part of circuit converted from 110 V to 15 V

圖5 110 V轉(zhuǎn)15 V電路整流部分 Fig.5 Rectifier of circuit converted from 110 V to 15 V

12 V、5 V、24 V 電壓是由電壓轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化而來，如圖7、8 所示，主要采用不同的電壓轉(zhuǎn)化模塊，電源模塊輸入端都是由110 V 電壓轉(zhuǎn)化而成的15 V 電壓。在設(shè)計時選則保護(hù)功能齊備的電源模塊，并且考慮其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)與設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞設(shè)備或開關(guān)電源。

4 驅(qū)動電源電路可靠性設(shè)計分析

驅(qū)動電源穩(wěn)定工作是保證TAX 箱正常運(yùn)行的前提，使驅(qū)動電源長時間穩(wěn)定工作，不僅需要其電路原理正確，器件選型及PCB 布局等因素同樣至關(guān)重要。

考慮到110 V 電壓轉(zhuǎn)化為15 V電壓時，對變壓器的規(guī)格參數(shù)要求較高，所以變壓器通過廠家定制，該變壓器不僅體積小，而且能很好的滿足要求。考慮到電源單元返修的情況，在高的器件旁邊比如散熱片周圍盡量不放置元器件。這樣不僅有利于返修而且能使一些敏感器件遠(yuǎn)離散熱片，避免長時間受熱而影響其工作性能。

針對電源板散熱的問題，在PCB布局時，在發(fā)熱量大的器件下面開孔，使其能很好的散熱，但是如果開孔太小，電源板進(jìn)入貼片機(jī)時，這些孔會發(fā)生堵錫的現(xiàn)象，所以開孔不僅要滿足散熱要求，同時也要滿足工藝的要求。

對于關(guān)鍵器件的選型，與廠家技術(shù)人員進(jìn)行充分的溝通，采取專業(yè)人員推薦的器件，能很好的滿足需求，例如在圖4 的圖框3 中的尖峰電壓吸收電路里電阻采用的是一種比碳膜電阻性能更可靠穩(wěn)定的玻璃釉電阻，雖然成本增加但是換來的是電路的可靠穩(wěn)定性提升。

圖6 110 V轉(zhuǎn)15 V電路過欠壓保護(hù)部分 Fig.6 Over-voltage and under-voltage protection part of circuit converted from 110 V to 15 V

圖8 12 V電壓轉(zhuǎn)5 V電壓電路Fig.8 Circuit with voltage converted from 12 V to 5 V

5 結(jié)論

為保障鐵路運(yùn)輸安全，要求鐵路信號產(chǎn)品必須具有高可靠性，決定電源單元可靠性高低的因素中最重要是設(shè)計因素，本文對TAX 箱驅(qū)動電源硬件設(shè)計從電路原理設(shè)計和器件選型角度進(jìn)行分析總結(jié)，確保產(chǎn)品設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)需求，這種電源可靠性設(shè)計的方法可作為一種經(jīng)典思路在其他場合中應(yīng)用。