機車車載TAX箱驅動電源可靠性設計與分析

韓進霞

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613)

機車安全信息綜合監(jiān)測裝置（簡稱TAX 箱）是一種機車安全信息共享的工作平臺，與LKJ、機車信號并稱為機車車載三大設備，其工作穩(wěn)定性對于機車安全運行意義重大。該裝置內部采取驅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)結構如圖1 所示。

圖1 TAX箱系統(tǒng)結構 Fig.1 TAX box system structure diagram

TAX 箱內部單元布置示意如圖2 所示。

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

2 驅動電源可靠性設計需求分析

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

首先，TAX 箱驅動電源設計需要滿足如下主要技術參數(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。

驅動電源為各功能單元提供的負載電流是一定的，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≤150 mA；

±12 V 電源取電流應≤90 mA；

15 V 電源取電流應≤240 mA；

24 V 電源取電流應≤40 mA。

當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 電源變換后產生其所需電源。

其次，為滿足電源單元可靠工作，電源單元設計應考慮如下功能。

1）電源單元輸出過流保護

電源單元的輸出超過電流上限后應立即停止輸出，以免設備因電流過大毀損。

2）輸入電壓防護

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

3）輸出電壓防護

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備。

3 驅動電源設計方案

針對電源板需求提出如圖3 所示設計方案。

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15 V電路設計

如圖4 所示，圖框1 中110 V 輸入電壓進入經過壓敏電阻、氣體放電管和一個薄膜電容以及磁介質電容器后進入圖框2 中，在110 V 電源輸入部分設計采用壓敏電阻主要目的在電路承受過壓時進行電壓嵌位，吸收多余的電流以保護敏感器件；將氣體放電管用在保護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 功率開關管在關斷時產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。R14 用來設定過載補償?shù)纳疃取D框2 內的電路實現(xiàn)的功能是電壓反饋。圖框3 內的電路實現(xiàn)功能是MOS 驅動和電流采樣。

3.2 12、5、24 V轉換電路設計

圖4 110 V轉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 電壓是由電壓轉化模塊轉化而來，如圖7、8 所示，主要采用不同的電壓轉化模塊，電源模塊輸入端都是由110 V 電壓轉化而成的15 V 電壓。在設計時選則保護功能齊備的電源模塊，并且考慮其保護電路的技術參數(shù)與設備的工作特性相匹配，以避免損壞設備或開關電源。

4 驅動電源電路可靠性設計分析

驅動電源穩(wěn)定工作是保證TAX 箱正常運行的前提，使驅動電源長時間穩(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重要。

考慮到110 V 電壓轉化為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，電源板進入貼片機時，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。

對于關鍵器件的選型，與廠家技術人員進行充分的溝通，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15 V電路過欠壓保護部分 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5 V電壓電路Fig.8 Circuit with voltage converted from 12 V to 5 V

5 結論

為保障鐵路運輸安全，要求鐵路信號產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計因素，本文對TAX 箱驅動電源硬件設計從電路原理設計和器件選型角度進行分析總結，確保產品設計能夠滿足系統(tǒng)需求，這種電源可靠性設計的方法可作為一種經典思路在其他場合中應用。