【導(dǎo)讀】隨著鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，為了提高車載運(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)《車載電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》EN 50155-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，車載設(shè)備除需滿足基本性能、可靠性指標(biāo)之外，同時(shí)還需滿足相應(yīng)的電磁兼容指標(biāo)要求。本文結(jié)合車載設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)，簡單闡述設(shè)備的電磁兼容指標(biāo)，通過案例應(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。在惡劣的車內(nèi)與車外電磁環(huán)境當(dāng)中，如果設(shè)備受到干擾而造成誤動作、或者損壞則會對設(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)車走行部監(jiān)測裝置主機(jī)中的應(yīng)用
為保證設(shè)備的可靠性，此類設(shè)備的主電源會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)車走行部監(jiān)測裝置主機(jī)電源方案框圖
如圖1所示為機(jī)車走行部車載監(jiān)測裝置主機(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，考慮到降額問題，推薦URF1D15QB-50WH——輸入電壓范圍滿足40-160VDC，且滿足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，以判斷設(shè)備工作狀況及數(shù)據(jù)信息，推薦適合長距離傳輸?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。
整體電源方案在滿足功能需求及安全隔離，同時(shí)又便于整體系統(tǒng)簡化設(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，通常主電源會選取國際標(biāo)準(zhǔn)封裝的隔離電源進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)?？v觀市場上的軌道交通設(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)備必須滿足相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求，因此電源廠商會開發(fā)配套的濾波器或者提供相應(yīng)的EMC解決方案供客戶端設(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)。 金升陽電源URF1D15QB-50WH、VRB1205YMD-10WR3針對輸入端的EMI濾波、EMS防護(hù)均有配套的EMC解決方案供客戶設(shè)計(jì)參考。
選擇輸入電源濾波方案僅僅是設(shè)計(jì)的開始，如何對方案進(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線。
4.2 信號處理
如圖1所示，存在很多傳感器裝置，實(shí)現(xiàn)對機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集。通過AD模數(shù)處理后反饋給MCU，然后通過數(shù)據(jù)傳輸至司機(jī)室或主控制室，以判定機(jī)車運(yùn)行的安全狀態(tài)。此種功能就決定了此設(shè)備必須滿足高性能的電磁兼容性能。信號是設(shè)備最敏感的電路之一，極容易受到ESD、RS、EFT、SURGE、CS的影響，為盡可能降低信號對噪聲的敏感度，以下兩方面需重點(diǎn)考慮：
（1）信號電路設(shè)計(jì)：
針對敏感信號，如傳感器、采集處理電路、小信號控制電路、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PCB設(shè)計(jì)：
信號部分，PCB盡可能使用多層板并合理分層，如4層板及以上；
信號線在布局時(shí)遠(yuǎn)離噪聲電路，如數(shù)字電路、開關(guān)電路、時(shí)鐘電路等；信號線在走線時(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。金屬殼接地對靜電有很好的泄放作用，同時(shí)對RE、RS有很好的屏蔽作用。但是如果機(jī)殼的結(jié)構(gòu)沒有設(shè)計(jì)好，不僅起不到應(yīng)有的作用，有時(shí)會引起反作用。
針對金屬機(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)部的接地線長度盡可能短，一般不應(yīng)超過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，是通過幾部分組合而成的，這就導(dǎo)致屏蔽效能變差、阻抗變高，對輻射、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與金屬機(jī)殼滿足共模浪涌電壓等級的安全距離及接口信號增加靜電防護(hù)濾波電路之后，靜電一般都不會有問題。將隔離之后的電源地或信號地直接連接于安全地之后，進(jìn)行共模浪涌測試時(shí)反而往往會出現(xiàn)損壞、拉弧或復(fù)位的情況，將此路徑斷開后，共模浪涌就不存在問題。
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)行共模浪涌測試時(shí)（如Vin+對PE、Vin-對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。
如果后端信號一定要接PE，則如圖3是推薦的設(shè)計(jì)方法，可通過高壓電容進(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、兼容性對運(yùn)輸?shù)陌踩兄浅Ｖ匾挠绊憽ｋS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，首當(dāng)其沖的就是電源模塊化。當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)封裝的鐵路隔離電源受制于體積封裝的原因，無法將所有EMC電路集成化，然而針對不同的應(yīng)用需求，金升陽開發(fā)出了一系列滿足鐵路行業(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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