利用DC／DC變換器設計滿足歐洲鐵路標準的電源

摘要

在歐洲鐵路應用的電器和電子設備，其性能是由2個國際標準來管理的。即在設計規格中，最常用的IEC571標準，同時也稱作歐洲EN50155標準和在英國使用的RIA12標準，即用于拖動及運載設備的直流控制系統中，瞬態浪涌保護的常駐機構通用規范。此規范是由鐵路工業聯會開發制定的。這2個標準有很多相似之處，但RIA12標準更要求電子設備有專門對抗浪涌的能力。

下面討論如何使用深圳中電華星提供的Vicor Dc／Dc變換器模塊，來幫助設計可同時滿足以上2個標準的完整電源。

1 EN50155(IEC571)的電器需求

鐵路應用電源的標稱輸入電壓為Vn。正常工作時，設備由電池直接供電，在無其他穩定器情形下，輸入電壓在0．7 Vn～1_25 Vn之間正常操作。啟動電源時，設備還需承受瞬態壓降及過壓浪涌的沖擊。

表1展示出這一規范與標準的Vicor DC／DC變換器輸入電壓范圍和瞬態條件時的電壓比較。

2 快速瞬態規范

由于電子設備還必須能承受1個持續50μs的1．8kV直接瞬態電壓，因此為防止損壞DC／DC變換器，模塊必須接上1個抑制器件。例如瞬態電壓抑制器(TVS)，可直接跨接在輸入端上。通過選擇TVS的鉗制電壓，來保證模塊不會超出最高電壓或瞬態限制。

3 RIAI2浪涌保護

RIA12標準規定：變換器必須能承受大于正常輸入電壓3．5倍的過壓浪涌達20ms的時間。為此，DC／DC變換器必須使用1個抑制電路。由于這個過壓脈沖的源阻抗是0．2Ω，1個共模鉗制器件(諸如TVS)因為能量消耗的原因，將不能提供一個合適的解決方案，因此設計1個如圖1所示的有源電路是必要的。

在此電路中，D1 用于鉗制快速高壓尖峰，D2、D3和Q1 、Q2組成1個有源器件來限制浪涌。在正常動作期間，用變換器的輸出閘門信號驅動由1N4148二極管和470pF電容組成的充電泵，使Q1保持全導通。當過壓出現時，二極管D2導通，由R2限制電流，然后使Q2導通。隨著Q2。的導通，Q1 的柵壓被規限為D3 的齊納電壓。輸出電壓等于D3 的齊納電壓減去Q1 的柵源電壓。當過壓現象終止時，系統仍然會正常工作。

圖1電路中所用的元件在任何輸入電壓范圍的情況下是完全相同的，主要場效應管Q1 和鉗制二極管D1 、D2 及D3。則需根據正常工作電壓和功率來選擇。

選擇Q1 必須考慮3．5 (Vn)值和工作電流(In)，以提供足夠的安全工作區來限制20ms的單脈沖。Rds（on）。 (場效應管在導通狀態下，漏極至源極之間的電阻，此電阻造成場效應管導通時的功耗)也必須計算在內，因為在正常工作條件下，功耗計算為P=RDS(on)*IN2，二極管D2 和D3?？梢杂邢嗤膿舸╇妷海谶@種情況下，輸出(鉗制)電壓將等于D3。減去柵源電壓。

RIA12標準規定輸入電壓可變化至1．5 (Vn)維持1s。要使變換器的輸入電壓范圍可承受這一條件，D2和D3。的擊穿電壓必須大于1．5(Vn)，以免保護電路在低于此條件下工作。但擊穿電壓也必須小于模塊的最高輸入。

D1主要鉗制高壓尖峰，該尖峰能量低，但幅度可能超過IkV。因此D 必須是一個高于3．5(Vn)的鉗制電壓的TVS，以防止被此瞬態電壓損壞。

4 測試結果

此電路已分別以48V和IIOV輸入(兩種鐵路應用中最常用的電壓)，連接150W 的DC-DC變換器在實驗室中進行了測試。表2列出所用電路元件的規格。

5 工作指標

1.工作溫度：根據環境的嚴峻性分為4級，如表3所示。當設計電源時，必須考慮在啟動期間的過溫情況。

在某些鐵路應用中，電子設備是懸掛在運載車的墻壁上，這種裝置能利用中電華星提供的Vicor變換器基板的平面直接安裝在機殼上，這樣機殼就可作為一個大散熱器使用。

2．振動和沖擊：EN50155規定電子設備固定安裝在汽車框架的板及箱上，必須能承受3個方向的振動，標準：① 頻率范圍5～ 150Hz；② 跨越頻率8．2Hz交叉；③位移幅度(跨越頻率以下)7．5mm 交叉；④加速幅度(跨越頻率以上)20m／s2。交叉

電子設備還必須能承受1個50m／s2。振幅的半正弦沖擊達50ms。由于中電華星提供的Vicor電源模塊是整體包藏在環氧樹脂之內，因此可以抵御這些機械壓力。當然，對印制板的設計和布線必須加倍留意，避免任何移動而使模塊端子承受不必要的應力。