利用DC/DC变换器模块 设计满足欧洲铁路标准的电源

在欧洲铁路应用的电器和电子设备的性能是由2个国际标准来管理的。在设计的规格中，最常用IEC571标准——铁路车辆的电子设备，同时也唤作欧洲EN50155——运载设备用电子设备。而在英国，则需用标准RIA12——用于拖动及运载设备的直流控制系统中，瞬态浪涌保护的通常驻机构用规范。此规范是由铁路工业联会开发制定的。这2个标准有很多相似之处，但RIA12标准更要求有专门对抗浪涌的能力。

　　下面讨论如何使用VICOR公司的DC/DC变换器模块，来帮助设计可同时满足该2个标准的完整电源。

　　1 EN50155（IEC571）的电器需求

　　铁路应用电源的标称输入电压为Vn。正常工作时，设备由电池直接供电，在无其他稳定器情形下，输入电压在0.7 Vn ~1.25 Vn之间正常操作。启动电源时,设备还需承受瞬态压降及过压浪涌的冲击。

　　表1展示出 这一规范与标准的VICOR DC/DC变换器输入电压范围和瞬态条件时的比较。

表1 EN50155的输入规范与VICOR DC/DC变换器比较

　　①下限为18V；②下限为36V；③当电压为45V时,功率会下降至额定负载的75%。

　　2　快速瞬态规范

　　因为设备还必须能承受1个持续50us的1800V直接瞬态电压,为防止损坏DC/DC变换器，模块必须接上1个抑制器件，例如瞬态电压抑制器（TVS），可直接跨接在输入端上。通过选择TVS的钳制电压，来保证不会超出模块的最高电压或瞬态限制。

　　3 RIA12浪涌保护

RIA12标准规定：变换器必须能承受大于正常输入电压3.5倍的过压浪涌达20ms的时间。为此，DC/DC变换器必须使用1个抑制电路。由于这个过压脉冲的源阻抗是0.2Ω，1个共模钳 制器件（诸如TVS）因为能量的消耗的原因，将不能提供一个合适的解决方案，因此设计1个如图1所示的有源电路是必要的。

图1防止快速瞬态和浪涌的有源电路

　　在此电路中，D1为钳制快速高压尖峰，而由D2，D3和Q1，Q2组成1个有源器件来限制浪涌。在正常动作期间，用变换器的输出闸门信号驱动由1N4148二极管和470pF电容组成的充电泵，使Q1保持全导通。当过压出现时，二极管D2导通，由R2限制电流，然后使Q2导通。随着Q2的导通，Q1的栅压被规限为D3的齐纳电压。输出电压等于D3的齐纳电压减去Q1的栅源电压。当过压现象终止时，系统仍然会正常工作。

　　图1电路中所用的元件在任何输入电压范围的情况下是完全相同的，主要场效应管Q1和钳制二极 管D1，D2及D3则需根据正常工作电压和功率来选择。
选择Q1必须考虑3.5（Vn）值和工作电流（In），以提供足够的安全工作区来限制20ms的单脉冲。RDs(on)[注释是什么意思，表示什么概念？]也必须计算在内，因为在正常工作条件下，功耗计算如下：P=R_{DS(0N)^．IN²}

　　二极管D2和D3可以有相同的击穿电压，在那种情况下，输出（钳制）电压将等于D3减去栅源电压。

　　RIA12标准规定输入电压可变化至1.5(Vn)维持1s，要使变换器的输入电压范围可承受这条件，D2和D3的击穿电压必须大于1.5(Vn), 以免保护电路在低于此条件下工作。但击穿电压也必须小于模块的最高输入。

　　D1二极管钳制高压尖峰，该尖峰能量低，但幅度可能超过1000V。因此D1必须是一个高于3.5（Vn）的钳制电压的TVS，以防止被此瞬态电压损坏。

　 >　　4　测试结果

　　此电路已分别以48V和110V输入（两种铁路应用中最常用的电压），连接150W的DC-DC变换器在实验室中进行了测试。表2列出所用电路的元件的规格。

表2 列出所用电路的元件的规格

　　测试结果如图2，图3所示。

　　5 工作指标

　　1.工作温度：根据环境的严峻性分为4级,如表3所示。当设计电源时,必须考虑在启动期间的过温情况。

　　在某些铁路应用中，电子设备是悬挂在运载车的墙壁上，这种装置能利用Vicor变 换器基板的平面直接安装在机壳上，这样机壳就可作为一个大散热器使用。

　　2.振动和冲击：EN50155规定电子设备固定安装在汽车框架的板及箱上，必须能承受3个方向的振动，标准如下：①频率范围5~150Hz;②跨越频率8.2Hz交叉；③位移幅度(跨越频率以下)：7.5mm交叉；④加速幅度(跨越频率以上)：20m/s2交叉。

　　电子设备还必须能承受1个50 m/s2振幅的半正弦冲击达50ms。因为Vicor电源模块是整个包藏在环氧树脂之内，它可以抵御这些机械的压力。当然，对印制板的设计和布线必须加倍留意，避免任何移动而使模块端子承受不必要的应力。