适用于铁路环境的低功率DC/DC转换器
2019-8-7
在复杂的国际铁路市场中，如何有效利用铁路车辆是关键。感知设备的状况、状态和位置然后进行汇报可以做出“明智”的决策，从而提高车辆可用性同时降低成本。然而，多个传感器和发射器需要低成本的电源，必须易于集成、符合铁路电气和环境规范，且经济地升级现有的车辆。本文介绍了在常见的铁路传感应用中使用这种DC/DC转换器以及具有必要认证的现成产品系列。
全球铁路网络持续增长，预计到2020年铁路网络将达到138万公里，市场价值为1800亿欧元[1]。特别是亚太地区的增长幅度，中国和印度都在铁路的基础设施投入巨资。提升生活水平、流动的新兴经济体、铁路旅游以及推动永续和环保的交通皆是增长的动力。现在的轨道网络正迅速变得过度拥挤，因此持续使用陈旧的车辆以满足需求，可能会出现故障导致延误、网络中断，甚至是灾难性的脱轨。虽然可以不断地开发新路线和购买新车辆，但是计划延迟、提高融资以及成本超支等问题让扩建现有的铁路网络变得困难。
有效利用资产是关键
提高铁路网络容量的一种方法是让新旧车辆“智能化”以提高利用率。这包括精准掌握运行和闲置的车辆位置以增加交通密度，同时结合传感器监控车辆的运行状况。远程状态监测（RCM）是收集数据的方法，状态检修（CBM）则是分析数据以预测何时需要维护或修复。通过这两种技术安排必要的维修和避免不必要的预防性维护来加强可靠性、提升可用性以及节省成本。
“状态监测”包括简单的状态信息，例如行驶距离和运输占用率，可进一步用于乘客分析和提升效率。这个想法符合更广泛的物联网（IoT）趋势，思科在一份报告[2]中表示在未来的12年内，铁路在IoT应用上的花费将高达300亿美元。
远程状态监测需要传感器
可以透过感测各种参数来确定设备的状况和状态，包括轴计数器、轴承温度、冲击/振动、噪声、电源电压波动、门运转循环、利用率、光照水平以及空气质量等。虽然基本的传感器可以是无源组件，例如热敏电阻，但现在的趋势是以数字信号处理器（DSP）、数据记录器和有线或无线接口（远程（LoRa）或WLAN无线电）的形式为传感器增加智能或“边缘计算”，也可以在车辆上增加GPS以取得详细的位置。拥有独立的通信传感器意味着更容易升级旧设备，在新设计中可以减少布线并根据需求来增加或自定义不同的功能。
传感器需要电力
大多数传感器只需要几瓦的功率即可运行，由主系统电源的DC/DC转换器供电。电压通常为110VDC，但也可以使用其他标称电压如24V（图1）。多通道传感器或驱动本地执行器时的功率要求可能更高，可能高达40W。实际上，传感器及其处理器的低压电源必须来自本地， 如果从大功率集中供电转换器的电压分配到各个处理器会导致不可接受的瞬态和噪声问题。此外，每个传感器的DC/DC转换器都需要电流隔离以避免与大功率接地回路共地和交叉干扰。
图1：各种电源标称值及变化
问题是110V并不“干净”; 铁路标准EN 50155-2017规定在正常运行中电压可以有+25%/-30%的变化，在100ms的短时间内下降至标称电压的60%或上升至140%，不会造成功能偏差，性能可在一秒内有些微下降。实际上，连接的DC/DC转换器必须在整个范围内工作加上一定的余量，通常为43-160VDC。图1显示了DC/DC转换器的标准4:1输入范围，说明某些转换器可以符合一些铁路要求，而输入范围为10:1的理想转换器则可以应对所有变化。
DC-DC转换器通常还必须能够满足EN 61000-4-x标准中定义的快速瞬态过电压要求，简单的LC滤波器和瞬态抑制器可以减弱这些过电压。EN 50155还将电源中断定义成S1、S2和S3三个类别，最坏的情况是标称输入电压中断20ms但不会对转换器输出电性能造成影响。这通常需要串联隔离二极管之后外接保持电容，同时二极管也提供反极性保护。
图2的示例为车厢温度传感器使风扇运行并通过无线连接发出列车温度和状态信号。这是RECOM的一款紧凑型8W DC/DC转换器（32 x 20 x 10mm），输入范围为43V至160V，为传感器提供隔离稳压电源，同时具有反极性保护和输出电压保持功能。根据EN 50121-3-2（轨道交通电磁兼容性标准），DC/DC已经具有很好地EMC性能，但在设计中可以在输入端增加额外的EMI滤波器来达到低传导发射和提高瞬态抗干扰能力。
图2：温度传感器的铁路应用
符合规范RIA 12
除了上述的标准以外可能还需要遵守英国RIA 12规范，该规范定义的浪涌能量比EN 50155更高，在110V系统中高达385V/20ms。由于源阻抗仅为0.2欧姆，简单地用瞬态电压抑制器限制输入电压会损耗太多功率并且会损坏输入保险丝或TVS。解决方案是使用预稳压器（图3）将浪涌电压抑制到预设的最大值。RECOM提供20W、150W或300W三种DC/DC转换器模块。
图3：电涌保护器的RIA 12应用
环境应力
铁路传感应用中的DC-DC转换器可能受到冲击、振动、温度和湿度的极端影响。设备的安装位置决定了使用的类别和等级，这些都在EN 61373标准中有清楚定义。大部份的DC-DC电源会安装在相对良好的1类B级的环境之中（安装在车厢机柜内），但仍可能需要额外的加固和封装。设备使用寿命约20年因此必须通过全面的电性能、HALT、温度循环和高温老化等测试来对可靠性进行彻底的确认和验证。由于110VDC是一种 “不安全” 的电压，因此转换器还必须具有通过认证的加强绝缘以防止在二次连接时遭受电击。
提供合格的现成解决方案
RECOM [3] 及近期收购的意大利公司Power Control Systems（PCS）[4]拥有许多符合EN 50155标准的DC-DC转换器或完整的铁路解决方案，提供低功率（8W-240W）至高达2kW的定制模块，多种输入电压范围涵盖所有铁路标称值，包括16-160V超宽输入范围。
凭借长期的铁路应用经验，公司还可以提供全面的技术支持、详细的EMC评估和环境合规报告。PCS提供板卡式安装以及板卡和机架式产品以满足客制化的需求，RECOM则专注于PCB安装低功率DC/DC模块和参考设计，包括符合EN 50121-3-2标准24-48V或72-110V DC标称输入电压转换器的EMI滤波电路（参考设计分别为R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。
铁路级DC-DC转换器和电源提供一种简单且经济高效的途径，可将低功率传感和遥测技术融入现有的铁路车辆和新设计之中，从而协助实现铁路界的IoT。
参考文献
[1] Statista: https://www.statista.com/topics/1088/rail-industry/
[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/
[3] RECOM: www.recom-power.com
[4] Power Control Systems: https://www.powercontrolsystems.com
RECOM: We Power your Products
有效利用资产是关键
提高铁路网络容量的一种方法是让新旧车辆“智能化”以提高利用率。这包括精准掌握运行和闲置的车辆位置以增加交通密度，同时结合传感器监控车辆的运行状况。远程状态监测（RCM）是收集数据的方法，状态检修（CBM）则是分析数据以预测何时需要维护或修复。通过这两种技术安排必要的维修和避免不必要的预防性维护来加强可靠性、提升可用性以及节省成本。
“状态监测”包括简单的状态信息，例如行驶距离和运输占用率，可进一步用于乘客分析和提升效率。这个想法符合更广泛的物联网（IoT）趋势，思科在一份报告[2]中表示在未来的12年内，铁路在IoT应用上的花费将高达300亿美元。
远程状态监测需要传感器
可以透过感测各种参数来确定设备的状况和状态，包括轴计数器、轴承温度、冲击/振动、噪声、电源电压波动、门运转循环、利用率、光照水平以及空气质量等。虽然基本的传感器可以是无源组件，例如热敏电阻，但现在的趋势是以数字信号处理器（DSP）、数据记录器和有线或无线接口（远程（LoRa）或WLAN无线电）的形式为传感器增加智能或“边缘计算”，也可以在车辆上增加GPS以取得详细的位置。拥有独立的通信传感器意味着更容易升级旧设备，在新设计中可以减少布线并根据需求来增加或自定义不同的功能。
传感器需要电力
大多数传感器只需要几瓦的功率即可运行，由主系统电源的DC/DC转换器供电。电压通常为110VDC，但也可以使用其他标称电压如24V（图1）。多通道传感器或驱动本地执行器时的功率要求可能更高，可能高达40W。实际上，传感器及其处理器的低压电源必须来自本地， 如果从大功率集中供电转换器的电压分配到各个处理器会导致不可接受的瞬态和噪声问题。此外，每个传感器的DC/DC转换器都需要电流隔离以避免与大功率接地回路共地和交叉干扰。
图1：各种电源标称值及变化
问题是110V并不“干净”; 铁路标准EN 50155-2017规定在正常运行中电压可以有+25%/-30%的变化，在100ms的短时间内下降至标称电压的60%或上升至140%，不会造成功能偏差，性能可在一秒内有些微下降。实际上，连接的DC/DC转换器必须在整个范围内工作加上一定的余量，通常为43-160VDC。图1显示了DC/DC转换器的标准4:1输入范围，说明某些转换器可以符合一些铁路要求，而输入范围为10:1的理想转换器则可以应对所有变化。
DC-DC转换器通常还必须能够满足EN 61000-4-x标准中定义的快速瞬态过电压要求，简单的LC滤波器和瞬态抑制器可以减弱这些过电压。EN 50155还将电源中断定义成S1、S2和S3三个类别，最坏的情况是标称输入电压中断20ms但不会对转换器输出电性能造成影响。这通常需要串联隔离二极管之后外接保持电容，同时二极管也提供反极性保护。
图2的示例为车厢温度传感器使风扇运行并通过无线连接发出列车温度和状态信号。这是RECOM的一款紧凑型8W DC/DC转换器（32 x 20 x 10mm），输入范围为43V至160V，为传感器提供隔离稳压电源，同时具有反极性保护和输出电压保持功能。根据EN 50121-3-2（轨道交通电磁兼容性标准），DC/DC已经具有很好地EMC性能，但在设计中可以在输入端增加额外的EMI滤波器来达到低传导发射和提高瞬态抗干扰能力。
图2：温度传感器的铁路应用
符合规范RIA 12
除了上述的标准以外可能还需要遵守英国RIA 12规范，该规范定义的浪涌能量比EN 50155更高，在110V系统中高达385V/20ms。由于源阻抗仅为0.2欧姆，简单地用瞬态电压抑制器限制输入电压会损耗太多功率并且会损坏输入保险丝或TVS。解决方案是使用预稳压器（图3）将浪涌电压抑制到预设的最大值。RECOM提供20W、150W或300W三种DC/DC转换器模块。
图3：电涌保护器的RIA 12应用
环境应力
铁路传感应用中的DC-DC转换器可能受到冲击、振动、温度和湿度的极端影响。设备的安装位置决定了使用的类别和等级，这些都在EN 61373标准中有清楚定义。大部份的DC-DC电源会安装在相对良好的1类B级的环境之中（安装在车厢机柜内），但仍可能需要额外的加固和封装。设备使用寿命约20年因此必须通过全面的电性能、HALT、温度循环和高温老化等测试来对可靠性进行彻底的确认和验证。由于110VDC是一种 “不安全” 的电压，因此转换器还必须具有通过认证的加强绝缘以防止在二次连接时遭受电击。
提供合格的现成解决方案
RECOM [3] 及近期收购的意大利公司Power Control Systems（PCS）[4]拥有许多符合EN 50155标准的DC-DC转换器或完整的铁路解决方案，提供低功率（8W-240W）至高达2kW的定制模块，多种输入电压范围涵盖所有铁路标称值，包括16-160V超宽输入范围。
凭借长期的铁路应用经验，公司还可以提供全面的技术支持、详细的EMC评估和环境合规报告。PCS提供板卡式安装以及板卡和机架式产品以满足客制化的需求，RECOM则专注于PCB安装低功率DC/DC模块和参考设计，包括符合EN 50121-3-2标准24-48V或72-110V DC标称输入电压转换器的EMI滤波电路（参考设计分别为R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。
铁路级DC-DC转换器和电源提供一种简单且经济高效的途径，可将低功率传感和遥测技术融入现有的铁路车辆和新设计之中，从而协助实现铁路界的IoT。
参考文献
[1] Statista: https://www.statista.com/topics/1088/rail-industry/
[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/
[3] RECOM: www.recom-power.com
[4] Power Control Systems: https://www.powercontrolsystems.com
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