【導(dǎo)讀】隨著鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，為了提高車(chē)載運(yùn)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(chē)載電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》EN 50155-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，車(chē)載設(shè)備除需滿(mǎn)足基本性能、可靠性指標(biāo)之外，同時(shí)還需滿(mǎn)足相應(yīng)的電磁兼容指標(biāo)要求。本文結(jié)合車(chē)載設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單闡述設(shè)備的電磁兼容指標(biāo)，通過(guò)案例應(yīng)用分析，總結(jié)軌道交通設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)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(yùn)營(yíng)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(duì)其它設(shè)備不構(gòu)成電磁干擾，在同一個(gè)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(yùn)輸設(shè)備，對(duì)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(chē)內(nèi)與車(chē)外電磁環(huán)境當(dāng)中，如果設(shè)備受到干擾而造成誤動(dòng)作、或者損壞則會(huì)對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成非常嚴(yán)重的后果，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)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(wèn)題。
2.軌道交通設(shè)備電磁兼容要求
根據(jù)EN50155-2007標(biāo)準(zhǔn)中的電磁兼容部分，軌交設(shè)備必須滿(mǎn)足EN50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的電磁兼容指標(biāo)要求，詳細(xì)如下：
3.隔離電源在機(jī)車(chē)走行部監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)中的應(yīng)用
為保證設(shè)備的可靠性，此類(lèi)設(shè)備的主電源會(huì)使用隔離模塊電源實(shí)現(xiàn)，以下為整個(gè)系統(tǒng)的電源應(yīng)用框圖，如圖1所示：
圖 1 機(jī)車(chē)走行部監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)電源方案框圖
如圖1所示為機(jī)車(chē)走行部車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)電源應(yīng)用方案框圖，整個(gè)系統(tǒng)接入110VDC直流電網(wǎng)。根據(jù)EN50155標(biāo)準(zhǔn)要求，110V供電系統(tǒng)需滿(mǎn)足0.6UN-1.4UN電壓范圍，因此主電源需選擇一個(gè)寬輸入電壓范圍的隔離模塊電源。同時(shí)整個(gè)設(shè)備電源整體功率低于30W，考慮到降額問(wèn)題，推薦URF1D15QB-50WH——輸入電壓范圍滿(mǎn)足40-160VDC，且滿(mǎn)足EN50155標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性提供第一道保護(hù)。
為滿(mǎn)足軌道交通電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-2要求，前端可配置鐵路電源專(zhuān)用濾波器，推薦FC-CX3D；
為進(jìn)一步提供系統(tǒng)可靠性，主控制電路經(jīng)過(guò)二次隔離，使用VRB1205YMD-10WR3用于MCU、顯示屏及操作按鍵等供電；
同時(shí)，此設(shè)備需要將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿緳C(jī)顯示平臺(tái)，以判斷設(shè)備工作狀況及數(shù)據(jù)信息，推薦適合長(zhǎng)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(mǎn)足功能需求及安全隔離，同時(shí)又便于整體系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定可靠。
4.軌道交通設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)方法
4.1 防護(hù)濾波
為使軌道交通設(shè)備安全可靠工作，通常主電源會(huì)選取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝的隔離電源進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。縱觀市場(chǎng)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(wú)法將EMC防護(hù)濾波器件集成于模塊內(nèi)部，而軌交設(shè)備必須滿(mǎn)足相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求，因此電源廠商會(huì)開(kāi)發(fā)配套的濾波器或者提供相應(yīng)的EMC解決方案供客戶(hù)端設(shè)計(jì)選擇。所以在設(shè)計(jì)輸入電源濾波時(shí)，盡可能按照電源廠商提供的濾波器或EMC解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
如圖1中的EMC防護(hù)濾波即使用金升陽(yáng)鐵路電源配套EMC輔助器FC-CX3D進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同時(shí)客戶(hù)也可以根據(jù)自身需求，選擇分立器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 金升陽(yáng)電源URF1D15QB-50WH、VRB1205YMD-10WR3針對(duì)輸入端的EMI濾波、EMS防護(hù)均有配套的EMC解決方案供客戶(hù)設(shè)計(jì)參考。
選擇輸入電源濾波方案僅僅是設(shè)計(jì)的開(kāi)始，如何對(duì)方案進(jìn)行合理的布局布線，達(dá)到最優(yōu)的效果才是最重要也是最難的。針對(duì)輸入電源濾波電路布局布線，總結(jié)以下三點(diǎn)建議：
（1）DC/DC防護(hù)器件放置于接口位置，遵循“防護(hù)+輸入濾波+隔離電源+輸出濾波”的原則。
（2）布局時(shí)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(hù)濾波的效果或失效。
（3）防護(hù)濾波電路（輸入濾波與輸出濾波）在布局走線時(shí)，以走PCB導(dǎo)線的方式設(shè)計(jì)，禁止在下方作鋪銅設(shè)計(jì)；隔離電源模塊下方不要布電路及信號(hào)線。
4.2 信號(hào)處理
如圖1所示，存在很多傳感器裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集。通過(guò)AD模數(shù)處理后反饋給MCU，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸至司機(jī)室或主控制室，以判定機(jī)車(chē)運(yùn)行的安全狀態(tài)。此種功能就決定了此設(shè)備必須滿(mǎn)足高性能的電磁兼容性能。信號(hào)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(hào)對(duì)噪聲的敏感度，以下兩方面需重點(diǎn)考慮：
（1）信號(hào)電路設(shè)計(jì)：
針對(duì)敏感信號(hào)，如傳感器、采集處理電路、小信號(hào)控制電路、通信電路、復(fù)位電路、報(bào)警電路、液晶顯示電路等敏感電路，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)要靠近電路端口且環(huán)路保持最小化；
信號(hào)接口電路端口一定要放置防護(hù)濾波器件且靠端口放置。
（2）信號(hào)PCB設(shè)計(jì)：
信號(hào)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(hào)線在布局時(shí)遠(yuǎn)離噪聲電路，如數(shù)字電路、開(kāi)關(guān)電路、時(shí)鐘電路等；信號(hào)線在走線時(shí)，不要靠近板邊緣且走線盡可能短。
4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軌道交通設(shè)備的外殼一般都是金屬殼。金屬殼接地對(duì)靜電有很好的泄放作用，同時(shí)對(duì)RE、RS有很好的屏蔽作用。但是如果機(jī)殼的結(jié)構(gòu)沒(méi)有設(shè)計(jì)好，不僅起不到應(yīng)有的作用，有時(shí)會(huì)引起反作用。
針對(duì)金屬機(jī)殼的設(shè)計(jì)，有以下幾點(diǎn)需重點(diǎn)關(guān)注：
（1）接地：金屬機(jī)殼接地推薦采用單點(diǎn)接地，即輸入濾波器的地就近接至金屬機(jī)殼，然后在金屬殼接地處設(shè)計(jì)安全接地點(diǎn)；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(zhǎng)度盡可能短，一般不應(yīng)超過(guò)5cm。
（2）外形設(shè)計(jì)：設(shè)備的外殼一般不是一個(gè)完整的封閉外殼，是通過(guò)幾部分組合而成的，這就導(dǎo)致屏蔽效能變差、阻抗變高，對(duì)輻射、靜電均有影響。為盡可能提升金屬機(jī)殼的作用，在組合設(shè)計(jì)時(shí)，接合處應(yīng)采取錯(cuò)位對(duì)接且每隔10cm左右用螺絲固定；孔、洞設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采取圓形孔或六邊形孔，孔徑不應(yīng)超過(guò)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，常有將隔離電源之后的電源地或信號(hào)地以直接或間接的方式與安全地相連接的情況，認(rèn)為此設(shè)計(jì)能有效的改善靜電泄放路徑，如果不連接則靜電無(wú)處泄放。實(shí)則不然。相連接時(shí)確實(shí)人為地提供一條靜電泄放路徑，但是不連接也并非沒(méi)有路徑了。
隔離電源在設(shè)計(jì)時(shí)為了改善紋波噪聲或EMI性能時(shí)，通常會(huì)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(hào)與金屬機(jī)殼滿(mǎn)足共模浪涌電壓等級(jí)的安全距離及接口信號(hào)增加靜電防護(hù)濾波電路之后，靜電一般都不會(huì)有問(wèn)題。將隔離之后的電源地或信號(hào)地直接連接于安全地之后，進(jìn)行共模浪涌測(cè)試時(shí)反而往往會(huì)出現(xiàn)損壞、拉弧或復(fù)位的情況，將此路徑斷開(kāi)后，共模浪涌就不存在問(wèn)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(jì)。主要原因是進(jìn)行共模浪涌測(cè)試時(shí)（如Vin+對(duì)PE、Vin-對(duì)PE），就相當(dāng)于在輸入與輸出之間進(jìn)行隔離耐壓試驗(yàn)。
平時(shí)的隔離耐壓測(cè)試漏電流都是預(yù)先設(shè)置好的，非常小，就算隔離強(qiáng)度達(dá)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(dá)到167A（以2KV浪涌作參考）。如果隔離電源的隔離強(qiáng)度達(dá)不到要求，擊穿瞬間將有大能量進(jìn)入電源內(nèi)部或后端負(fù)載，系統(tǒng)損壞、拉弧、復(fù)位也是常有的現(xiàn)象，同時(shí)隔離電源也容易失效。
如果后端信號(hào)一定要接PE，則如圖3是推薦的設(shè)計(jì)方法，可通過(guò)高壓電容進(jìn)行連接，同時(shí)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(yùn)輸工具，內(nèi)部各設(shè)備的可靠性、兼容性對(duì)運(yùn)輸?shù)陌踩兄浅Ｖ匾挠绊?。隨著軌道交通的高速化發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)下的趨勢(shì)，首當(dāng)其沖的就是電源模塊化。當(dāng)前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝的鐵路隔離電源受制于體積封裝的原因，無(wú)法將所有EMC電路集成化，然而針對(duì)不同的應(yīng)用需求，金升陽(yáng)開(kāi)發(fā)出了一系列滿(mǎn)足鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EN50155的模塊化電源，同時(shí)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(hù)航。
參考文獻(xiàn)：
1、EN50121-3-2:《Railway applications —Electromagnetic compatibility —Part 3-2: R
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