DC/DC 成品转换器如何简化加固型应用的开发流程

列车上的电子系统由会产生杂讯的 DC 电源供电。大功率传输系统出现电压尖峰、浪涌和压降，并伴有辐射和传导 EMI 的情况很普遍。冲击、振动和极端温度波幅也是常见现象。乘客和工作人员的安全是最重要的问题，因此我们需要谨慎考虑所用材料的易燃性。

 

其他市场也面临着类似的挑战，例如工业移动系统（工程和物料搬运机械、铲车等）暴露在严酷的户外环境中。由于没有明确的标准，他们通常会使用按照铁路标准设计和制造的现有加固型解决方案。这些方案优于工业级替代方案，工业级替代方案通常只是商业级解决方案，支持扩展的工作温度范围，并期望在“清洁”的供电轨、较低的冲击和振动水平的环境下工作。

 

符合铁路电力电子设备标准的加固型解决方案

 

铁路环境虽然严苛，但具有明确的特征。EN 50155 虽是适用于轨道电子设备的规范，但仍考虑到了极端电压波幅。EN 61373 针对不同列车区间的冲击和振动环境作出了规定。EN 61000-4 针对 EMC 作出了规定。对于出现高能浪涌的情况，通常需要符合英国铁路工业协会标准 RIA 12 的规定。

 

EN 50155

 

EN 50155 针对加固型 DC/DC 转换器作出了规定，定义了环境和服务条件、可靠性、安全性、设计和建造、文档和测试的规范。典型的工业级电子产品可能满足这些要求，但是 DC/DC 电源转换器必须能够承受多种可能的标称范围下更为广泛的输入电压变化（图 1）： 

图 1：不同轨道应用的 DC 输入范围

• 持续范围 = 0.7 – 1.25 x VNOM
• 低电压 = 0.6 x VNOM，100ms
• 浪涌 = 1.4 x VNOM ，一秒

要实现 100ms 的低电压过渡是不现实的，并且一秒钟的浪涌能量太大，难以钳压。因此，电源转换器必须能够在图 1 所示的完整范围内运作，并具有一定的安全界限，即输入范围要大于 2.33:1。对于法国和美国具有不同最小值和最大值的情况，也可以使用 48V 和 96V 的标称电压。DC/DC 转换器制造商可通过提供 4:1 的输入电压（通常是 43 - 160V）来满足这些要求。

 

RIA 12 合规要求

 

另外，也可能存在不同规范的合约规定，如 RIA 12。该规定要求能够从 0.2Ω 的极低电源阻抗中承受浪涌高达 1.5 倍 VNOM 1s 的时间，并能够承受 3.5 倍 VNOM 20ms 的时间。对于 110VDC 的系统，3.5 倍 VNOM 相当于 385VDC 的峰值，这已超出转换器的正常工作范围，特别是它在低至 66VDC 的最小电压值也要能运作时。 

 

来自这种低阻抗源的能量不能被 TVS（瞬态电压抑制器）钳压。因此，转换器可能需要一个预调节器，在浪涌期间切断输入。DC/DC 转换器还需要一个保持机制来维持输出。另一个要求可能是，能够从 100Ω 的抗阻源以 100ns 的梯形波形承受高达 8.4kV 的快速瞬变。这些情况下可以用 TVS 或 DC/DC 转换器制造商的专有滤波器来实施钳压。

 

EMI 和静电放电规定

 

在测试 AC 电源是否符合 EMC 指令时，需要遵守的标准是 EN-61000-4，要求所有电源均需进行适当的滤波。工业用 DC/DC 转换器通常是嵌入式的，并且不受传导 EMI 的影响。但它们通常不包含适用于轨道 DC 电源的滤波，因此需要外部滤波器。 

 

EN 50121-3-2 中包含对高达 80MHz 的传导共模 RF 的规定，以及对外壳端口级的静电放电和电磁场的抗扰性要求。传导辐射遵循的是基本标准 EN 55016-2-1。EN 50155 提供了轨道应用中 A、B 和 C 区的物理 EMC 示例（图 2）。

   

图 2：轨道应用中 DC/DC 转换器在 EMC 各区域之间的典型位置

严格的铁路抗冲击和抗振要求

 

EN 61373 对轨道应用的冲击和振动试验作出了规定，指定了不同位置的分类，并相应地增加试验的强度等级：

• 第 1 类，A 级，车身安装
• 第 1 类，B 级，车身安装
• 第 2 类，转向架安装
• 第 3 类，车轴安装

图 3：在爱尔兰韦克斯福德的 Traco 电力解决方案实验室进行的振动测试

B 级车身安装设备中的低质量物品在 5Hz 至 150Hz 的测试频率，50m/s2 的纵向冲击峰值（将近 5g）条件下，在垂向上必须能够承受 5.72m/s2 的振动加速度。在要求最严格的车轴安装环境中，设备必须能够承受任何方向上高达 144m/s2（近 15g）的振动以及超过 100g 的冲击。在研发过程中，结合使用激振器（振动器）和频闪仪可以评估单个组件的抗振能力（图 3），发现潜在的机械缺陷。

 

对于不同的安装方向，各自的功能状态和应力水平是有明确定义的。在低功率下，SIP 式安装的 DC/DC 转换器不能提供足够的支撑力。因此，TMR 3WIR 和同类产品采用了偏离式安装插脚，它可以像封装一样提供额外的机械稳定性（图 4）。

图 4：偏离式安装插脚提供机械稳定性 

TEQ 300WIR 这类较大的装置则通过用于电缆连接器的弹簧夹来抗振（图 5）。

  图 5：用弹簧夹抗振

温度冲击、操作环境和消防安全

 

轨道应用中对连续运行温度的要求通常不是很严格，乘客和驾驶室区域的标称温度为 25°C，最高可升至 55°C。设备柜的温度可能为 70°C，但是设备必须能够在 10 分钟内承受额外增加的 15°C。TEP 150WI 和 TEQ 300WIR 具备集成散热片，可以满足这些要求（图 6）。

图 6：与 TEQ 300WIR 一样，TEP 150WI 也包含一个被动式冷却系统（散热片）

乍看之下，额定温度为 -40 至+ 85°C 的转换器似乎足以应对大多数环境的挑战。然而，当列车驶进和驶离可能存在 40°C 的温差、温度变化速率为每秒 3°C 的隧道环境时，我们必须考虑温度急增的情况。这种温度突变可能会导致冷凝。用于此类环境的电源转换器需要进行封装或涂上保形涂层，以防止因不同程度的膨胀率而出现损坏情况。TEN 40WIR 系列的 DC/DC 转换器采用镀镍，而不是镀金，可防止因冷凝而产生的腐蚀。

即时可用的解决方案

 

Traco Power 提供品类广泛的成品产品，可满足铁路设备对 DC/DC 转换器的严格要求（图 7）。 

图 7：Traco Power 的产品可用于 3 至 300W 的铁路和同类应用

所有产品均提供 4:1 的输入范围，包括对于标称值为 110VDC、24VDC 和 48VDC 的应用，输入范围分别为 43-160VDC、9-36VDC 和 18-75VDC。封装方式包括 3W 和 6W 的金属罐式 SIP8 封装（带有额外的防振安装卡舌）、8W 的 DIP24 封装，以及 10W 至 40W 的行业标准 1” x 1”和 2” x 1”型封装。底座安装式产品则可提供 20W 至 300W 的规格。转换器包含符合 EN 55032 B 级规定的输入滤波器，以及加固性环境密封性能，具体视不同型号而定 [2]。

 

总结

 

瑞士制造商 Traco Power 因供应各类优质的 AC/DC 电源和 DC/DC 转换器而著称。通过使用他们的加固性 DC/DC 转换器，可确保铁路和同类行业的关键系统（例如恶劣条件下的工程机械和物料搬运系统）的设计人员解决电源方面的难题。