DC/DC 成品轉(zhuǎn)換器如何簡(jiǎn)化加固型應(yīng)用的開發(fā)流程

列車上的電子系統(tǒng)由會(huì)產(chǎn)生雜訊的 DC電源供電。大功率傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)電壓尖峰、浪涌和壓降，并伴有輻射和傳導(dǎo) EMI的情況很普遍。沖擊、振動(dòng)和極端溫度波幅也是常見現(xiàn)象。乘客和工作人員的安全是最重要的問題，因此我們需要謹(jǐn)慎考慮所用材料的易燃性。

其他市場(chǎng)也面臨著類似的挑戰(zhàn)，例如工業(yè)移動(dòng)系統(tǒng)（工程和物料搬運(yùn)機(jī)械、鏟車等）暴露在嚴(yán)酷的戶外環(huán)境中。由于沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，他們通常會(huì)使用按照鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造的現(xiàn)有加固型解決方案。這些方案優(yōu)于工業(yè)級(jí)替代方案，工業(yè)級(jí)替代方案通常只是商業(yè)級(jí)解決方案，支持?jǐn)U展的工作溫度范圍，并期望在“清潔”的供電軌、較低的沖擊和振動(dòng)水平的環(huán)境下工作。

符合鐵路電力電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的加固型解決方案

鐵路環(huán)境雖然嚴(yán)苛，但具有明確的特征。EN 50155雖是適用于軌道電子設(shè)備的規(guī)范，但仍考慮到了極端電壓波幅。EN 61373針對(duì)不同列車區(qū)間的沖擊和振動(dòng)環(huán)境作出了規(guī)定。EN 61000-4針對(duì) EMC作出了規(guī)定。對(duì)于出現(xiàn)高能浪涌的情況，通常需要符合英國鐵路工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) RIA 12的規(guī)定。

EN 50155

EN 50155針對(duì)加固型 DC/DC轉(zhuǎn)換器作出了規(guī)定，定義了環(huán)境和服務(wù)條件、可靠性、安全性、設(shè)計(jì)和建造、文檔和測(cè)試的規(guī)范。典型的工業(yè)級(jí)電子產(chǎn)品可能滿足這些要求，但是 DC/DC電源轉(zhuǎn)換器必須能夠承受多種可能的標(biāo)稱范圍下更為廣泛的輸入電壓變化（圖 1）：

• 持續(xù)范圍 = 0.7– 1.25 x VNOM
• 低電壓 = 0.6 x VNOM，100ms
• 浪涌 = 1.4 x VNOM，一秒

要實(shí)現(xiàn) 100ms的低電壓過渡是不現(xiàn)實(shí)的，并且一秒鐘的浪涌能量太大，難以鉗壓。因此，電源轉(zhuǎn)換器必須能夠在圖 1所示的完整范圍內(nèi)運(yùn)作，并具有一定的安全界限，即輸入范圍要大于 2.33:1。對(duì)于法國和美國具有不同最小值和最大值的情況，也可以使用 48V和 96V的標(biāo)稱電壓。DC/DC 轉(zhuǎn)換器制造商可通過提供 4:1的輸入電壓（通常是 43 - 160V）來滿足這些要求。

RIA 12合規(guī)要求

另外，也可能存在不同規(guī)范的合約規(guī)定，如 RIA 12。該規(guī)定要求能夠從 0.2Ω的極低電源阻抗中承受浪涌高達(dá) 1.5倍 VNOM 1s的時(shí)間，并能夠承受 3.5倍 VNOM 20ms的時(shí)間。對(duì)于 110VDC的系統(tǒng)，3.5倍 VNOM相當(dāng)于 385VDC的峰值，這已超出轉(zhuǎn)換器的正常工作范圍，特別是它在低至 66VDC的最小電壓值也要能運(yùn)作時(shí)。

來自這種低阻抗源的能量不能被 TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）鉗壓。因此，轉(zhuǎn)換器可能需要一個(gè)預(yù)調(diào)節(jié)器，在浪涌期間切斷輸入。DC/DC轉(zhuǎn)換器還需要一個(gè)保持機(jī)制來維持輸出。另一個(gè)要求可能是，能夠從 100Ω的抗阻源以 100ns的梯形波形承受高達(dá) 8.4kV的快速瞬變。這些情況下可以用 TVS或 DC/DC轉(zhuǎn)換器制造商的專有濾波器來實(shí)施鉗壓。

EMI和靜電放電規(guī)定

在測(cè)試 AC電源是否符合 EMC指令時(shí)，需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)是 EN-61000-4，要求所有電源均需進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波。工業(yè)用 DC/DC轉(zhuǎn)換器通常是嵌入式的，并且不受傳導(dǎo) EMI的影響。但它們通常不包含適用于軌道 DC電源的濾波，因此需要外部濾波器。

EN 50121-3-2中包含對(duì)高達(dá) 80MHz的傳導(dǎo)共模 RF的規(guī)定，以及對(duì)外殼端口級(jí)的靜電放電和電磁場(chǎng)的抗擾性要求。傳導(dǎo)輻射遵循的是基本標(biāo)準(zhǔn) EN 55016-2-1。EN 50155提供了軌道應(yīng)用中 A、B和 C區(qū)的物理 EMC示例（圖 2）。

嚴(yán)格的鐵路抗沖擊和抗振要求

EN 61373對(duì)軌道應(yīng)用的沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)作出了規(guī)定，指定了不同位置的分類，并相應(yīng)地增加試驗(yàn)的強(qiáng)度等級(jí)：

• 第 1類，A級(jí)，車身安裝
• 第 1類，B級(jí)，車身安裝
• 第 2類，轉(zhuǎn)向架安裝
• 第 3類，車軸安裝

B級(jí)車身安裝設(shè)備中的低質(zhì)量物品在 5Hz至 150Hz的測(cè)試頻率，50m/s2的縱向沖擊峰值（將近 5g）條件下，在垂向上必須能夠承受 5.72m/s2的振動(dòng)加速度。在要求最嚴(yán)格的車軸安裝環(huán)境中，設(shè)備必須能夠承受任何方向上高達(dá) 144m/s2（近 15g）的振動(dòng)以及超過 100g的沖擊。在研發(fā)過程中，結(jié)合使用激振器（振動(dòng)器）和頻閃儀可以評(píng)估單個(gè)組件的抗振能力（圖 3），發(fā)現(xiàn)潛在的機(jī)械缺陷。

對(duì)于不同的安裝方向，各自的功能狀態(tài)和應(yīng)力水平是有明確定義的。在低功率下，SIP式安裝的 DC/DC轉(zhuǎn)換器不能提供足夠的支撐力。因此，TMR 3WIR和同類產(chǎn)品采用了偏離式安裝插腳，它可以像封裝一樣提供額外的機(jī)械穩(wěn)定性（圖 4）。

TEQ 300WIR這類較大的裝置則通過用于電纜連接器的彈簧夾來抗振（圖 5）。

溫度沖擊、操作環(huán)境和消防安全

軌道應(yīng)用中對(duì)連續(xù)運(yùn)行溫度的要求通常不是很嚴(yán)格，乘客和駕駛室區(qū)域的標(biāo)稱溫度為 25°C，最高可升至 55°C。設(shè)備柜的溫度可能為 70°C，但是設(shè)備必須能夠在 10分鐘內(nèi)承受額外增加的 15°C。TEP 150WI和 TEQ 300WIR具備集成散熱片，可以滿足這些要求（圖 6）。

乍看之下，額定溫度為 -40至+ 85°C的轉(zhuǎn)換器似乎足以應(yīng)對(duì)大多數(shù)環(huán)境的挑戰(zhàn)。然而，當(dāng)列車駛進(jìn)和駛離可能存在 40°C的溫差、溫度變化速率為每秒 3°C的隧道環(huán)境時(shí)，我們必須考慮溫度急增的情況。這種溫度突變可能會(huì)導(dǎo)致冷凝。用于此類環(huán)境的電源轉(zhuǎn)換器需要進(jìn)行封裝或涂上保形涂層，以防止因不同程度的膨脹率而出現(xiàn)損壞情況。TEN 40WIR系列的 DC/DC轉(zhuǎn)換器采用鍍鎳，而不是鍍金，可防止因冷凝而產(chǎn)生的腐蝕。

即時(shí)可用的解決方案

Traco Power提供品類廣泛的成品產(chǎn)品，可滿足鐵路設(shè)備對(duì) DC/DC轉(zhuǎn)換器的嚴(yán)格要求（圖 7）。

所有產(chǎn)品均提供 4:1的輸入范圍，包括對(duì)于標(biāo)稱值為 110VDC、24VDC和 48VDC的應(yīng)用，輸入范圍分別為 43-160VDC、9-36VDC和 18-75VDC。封裝方式包括 3W和 6W的金屬罐式 SIP8封裝（帶有額外的防振安裝卡舌）、8W的 DIP24封裝，以及 10W至 40W的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 1” x 1”和 2” x 1”型封裝。底座安裝式產(chǎn)品則可提供 20W至 300W的規(guī)格。轉(zhuǎn)換器包含符合 EN 55032 B級(jí)規(guī)定的輸入濾波器，以及加固性環(huán)境密封性能，具體視不同型號(hào)而定 [2]。

總結(jié)

瑞士制造商 Traco Power因供應(yīng)各類優(yōu)質(zhì)的 AC/DC電源和 DC/DC轉(zhuǎn)換器而著稱。通過使用他們的加固性 DC/DC轉(zhuǎn)換器，可確保鐵路和同類行業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)（例如惡劣條件下的工程機(jī)械和物料搬運(yùn)系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)人員解決電源方面的難題。