點式ATC系統車地通信設備功率放大器的設計

摘 要：針對目前點式ATC系統車地通信設備功率放大器多采用OCL電路造成放大電路效率低、功率器件長期使用會過熱損壞及造成設備溫度過高使得設備其他電子器件性能發生變化的缺點，結合點式ATC系統車地通信設備功率放大器的技術要求設計了效率高、尺寸小、散熱器面積小的功率放大器。文中給出了設計原理及部分技術參數。該功率放大器已在多條城市軌道交通線路的點式ATC系統車地通信設備上運用，其性能穩定、可靠，均達到運用要求。

關鍵詞：功率放大器；車地通信設備；ATC

1 概述

1.1 目前點式ATC系統在我國的應用情況

目前，在我國城市軌道交通上比較流行連續式通信級列車控制（CBTC）。CBTC系統通過車地雙向通信，使地面信號設備可以得到每一列車連續的位置信息和列車其他運行信息，并據此計算出每一列車的移動授權，且動態更新，實時發送給列車，這樣后行列車追蹤目標點就可以是前行列車的尾部，從而可以實現移動閉塞，使系統能夠獲得更小的列車運行間隔。但，在擁有CBTC的同時整套ATC系統必須能實現點式通信級列車控制（ITC）。這是因為當CBTC的軌旁ATP設備、車地無線通信設備故障等狀況下，能夠為運營提供一種降級運營的手段，保證全線運營不受大的影響。點式ATC系統也可以獨立成為一套完整的系統，為開通初期提供獨立點式ATC系統的解決方案。同時，在一些客流較少，對車隔要求不苛刻的城市軌道線路，一般多采用點式ATC系統，因為點式ATC系統穩定性好，并且造價較低。其構成示意如圖1所示。

1.2 車地通信設備在點式ATC系統中的作用

車地通信（TWC）設備在點式ATC系統中起著信息傳遞的作用，TWC設備把車載停穩停準等信息發送給區域控制中心和ATS，同時把區域控制中心發出的信息和ATS發出的信息傳遞給列車。當列車進站時，TWC設備從同步載頻中提取出過交叉點信息，發送給車載ATP和ATO，用于ATO精確停車和ATP站臺位置校準[1]。

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

2 功率放大器在TWC設備中的作用及目前存在的問題

2.1 功率放大器在TWC設備中的作用

功率放大器是TWC設備中重要的組成部分，它起到將車地通信的模擬信號（一般采用FSK信號）放大，以達到輸出要求的作用。有時為使TWC設備處于閉環結構，功率放大器還起到檢測輸出電壓反饋給TWC設備邏輯控制部分的作用。

2.2 目前存在的問題

TWC設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，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。其缺點是放大電路效率低，設備長期運用時功率器件容易因過熱而損壞，同時造成設備環境溫度升高及電子器件性能變化[2]。

3 改進的TWC設備功率放大器的設計

針對2.2節提出的目前存在的問題和TWC設備功率放大器發送功率較高（約50W）的技術要求，決定將該功率放大器設計成D類功放。D類功放使功放管工作在開關狀態，此時管子僅在飽和導通時消耗功率，而且由于管壓降很小，故無論電流大小，管子的瞬時功率都不大，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、散熱器面積小的設計要求。D類功放采用脈寬調制（PWM）的方式來實現它的高效率[4]。

3.1 改進的功率放大器原理

對于改進的功率放大器設計成由四支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。功率放大器還設計了相應的保護電路：（1）延時上電電路，以防止上電時瞬間沖擊電流損壞MOSFET管。（2）過流保護電路，通過在MO

SFET管的源極采用取壓電阻，將電流轉換為電壓與規定的基準電壓進行比較來對功率放大器進行過流報警保護。改進后的功率放大器的原理框圖如圖3所示。

3.2 改進的功率放大器部分技術參數

改進的功率的放大器的部分技術參數如下：（1）頻率響應：15K

至55K；（2）輸出功率：在直流48V供電下，負載24歐姆下電壓為24V。（3）輸出過流報警：大于2安培輸出報警。（4）信號失真度：為8%。（5）輸出檢測電壓：為匹配輸出電壓的1/20。（6）匹配變壓器的匝數比：為32比20。

4 結束語

運用橋式推挽的D類功放對點式ATC的車地通信設備功率放大器進行類改進，彌補了現有設備的缺點，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成功運用。

參考文獻

[1]張杰.FZL.H型TWC設備工廠系統測試方案研究[J].鐵路通信信號工程，2012（8）.

[2]王建國.D類功率放大器在城軌交通ATP系統數字軌道電路中的應用[J].鐵路通信信號工程，2004（2）.

[3]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎（第四版）[M].北京：中國高等教育出版社，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.

作者簡介：王國鋒（1977，10-），男，漢族，甘肅古浪，沈陽鐵路信號有限責任公司，工程師，學士，研究方向：地鐵列車信號控制系統。