具有冗余輸出功能的電源設(shè)計(jì)

王永剛

摘要：伴隨鐵路產(chǎn)品對(duì)可靠性要求的提高，具有冗余功能的產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地被各個(gè)機(jī)車制造廠商提到了技術(shù)要求中來，而電源作為網(wǎng)絡(luò)控制產(chǎn)品如中央控制單元、遠(yuǎn)程輸入輸出單元的心臟，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起著舉足輕重的作用。本文在充分調(diào)查和研究國(guó)內(nèi)及國(guó)外的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了一種具有冗余輸出功能的列車電源板的整體設(shè)計(jì)方案，自主化設(shè)計(jì)開發(fā)，提高了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，具有很高的市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);電源;冗余輸出;可靠性

0 ?引言

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常應(yīng)用于包括機(jī)車、地鐵、輕軌、動(dòng)車組等型號(hào)列車中，是列車的核心子系統(tǒng)。如果列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障， 例如列車中央控制單元的電源模塊故障，則無法對(duì)列車進(jìn)行控制，司機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制，可能造成列車擊破等事故。

近年來，軌道交通行業(yè)對(duì)列車控制的實(shí)時(shí)性、可靠性和冗余性的要求逐漸提高，因此確保列車控制系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的正常工作變的更加重要，電源模塊的可靠性是各個(gè)模塊正常工作的前提條件，對(duì)電源模塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)是保證各個(gè)模塊可靠性的關(guān)鍵。

1 ?冗余電源的介紹

冗余電源是指多個(gè)電源（N+1方式）同時(shí)給同一或多個(gè)設(shè)備供電，當(dāng)其中1個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，其他電源可以不受其影響，不中斷設(shè)備的正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)的電源冗余方案一般是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的電源通過分別同二極管陽極相連接，并聯(lián)輸出到需要供電的電源總線上。如圖1所示。實(shí)際工作過程中，可以讓一套電源系統(tǒng)單獨(dú)工作，也可以讓多套電源系統(tǒng)同時(shí)工作。當(dāng)其中的一套電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕裕麄€(gè)電源系統(tǒng)不會(huì)失效而影響電源總線的輸出。

然而在列車設(shè)備中目前應(yīng)用的電源系統(tǒng)中，一般后端設(shè)備所需要的電流都比較大，最大甚至可達(dá)到幾十安培。考慮到二極管本身的功耗，為了避免二極管因溫度過高而損壞，通常這些二極管上還需要安裝大功率散熱片。

雖然使用二極管的傳統(tǒng)方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，但也有很大的缺點(diǎn)：比如功耗大、熱耗嚴(yán)重、需加裝散熱片、甚至占用很大體積。同時(shí)由于電路中通常為大電流，二極管大部分時(shí)間處于前向?qū)Ｊ剑虼艘驗(yàn)閴航祵?dǎo)致的熱功耗不可小覷。需要特別處理二極管的散熱問題。

本方案中電源冗余方案由多個(gè)單組成，并且同時(shí)工作，其優(yōu)點(diǎn)是1個(gè)電源故障時(shí)備份電源可以立即投入，輸出電壓波動(dòng)很小，對(duì)整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生影響。

本方案采用大功率的MOSFET管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的二極管。MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻可以到幾毫歐，大大降低了MOSFET因?yàn)閴航刀a(chǎn)生的熱損耗。在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)子設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了效率更高的解決方案，而且由于無增加散熱器，所以省了大量的電路板面積，利于電源的小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)也減少了設(shè)備的熱損耗。

2 ?冗余電源設(shè)計(jì)

具有冗余輸出功能的電源板具有兩套完全獨(dú)立的保護(hù)、濾波電路，具有兩個(gè)DC110V轉(zhuǎn)DC5V電源模塊（V110C5T75BG），正常情況下，兩套電路同時(shí)工作，當(dāng)任何一路電源輸入故障或者電路故障時(shí)，另外一路電源可以立即切換到滿載輸出狀態(tài)，確保輸出的可靠性，完全符合設(shè)計(jì)需求。

主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

本設(shè)計(jì)最新采用ISL6146CFUZ低電壓O-Ring MOSFET電源控制芯片，該芯片支持1-18V低電壓電源的控制，具有MOSFET短路保護(hù)、輸出電平控制、高溫報(bào)警等多種功能，電源冗余控制原理如圖2所示。

該電路的工作原理是，兩個(gè)電源控制芯片ISL6146CFUZ通過GATE引腳控制兩對(duì)O-Ring MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，使兩路電源系統(tǒng)同時(shí)給背板設(shè)備電源總線供電，當(dāng)其中一路電源系統(tǒng)輸入電壓不同時(shí)，輸出電源系統(tǒng)電壓可能高于某路輸入電源系統(tǒng)的電壓，這時(shí)候，ISL6146CFUZ芯片可以關(guān)斷GATE引腳控制MOSFET關(guān)斷以防止輸出向輸入倒灌電流。

本設(shè)計(jì)采用兩套相互獨(dú)立的保護(hù)、濾波電路，任何一路故障時(shí)，不影響電源板卡的輸出功能。

本設(shè)計(jì)預(yù)留滿足6U4TE寬度板卡安裝的接插件，同時(shí)控制板卡上元器件高度在15mm以內(nèi)，如果有小型化需求，可以直接更換對(duì)外接插件及散熱器，形成標(biāo)準(zhǔn)6U4TE電源板，滿足小空間安裝需求。

本設(shè)計(jì)預(yù)留DC24V冗余輸出電路，如果有DC24V輸出要求，可在不必重新制板的情況下，完成DC5V和DC24V冗余輸出功能。

3 ?結(jié)論

本文介紹了具有冗余輸出功能的電源板卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)具有性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。相信隨著整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)和硬件的發(fā)展，該電源冗余方案將會(huì)在軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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