隔离电源在轨道交通设备中的EMC（电磁兼容）设计

  摘要：随着铁路行业的不断发展，为了提高车载运行的可靠性和提高乘客的舒适性，大量的电子设备被应用于轨道交通中。根据《车载电子设备标准》EN 50155-2007标准要求，车载设备除需满足基本性能、可靠性指标之外，同时还需满足相应的电磁兼容指标要求。本文结合车载设备电磁兼容标准EN 50121-3-2标准，简单阐述设备的电磁兼容指标，通过案例应用分析，总结轨道交通设备电磁兼容设计方法。
 1.引言
  轨道交通设备的电磁兼容是指在轨道交通运营的电磁环境中，轨道交通系统设备与设备之间、设备与外界之间，能够正常工作、对其它设备不构成电磁干扰，在同一个电磁环境下共同执行各自功能的状态。 轨道交通是一种安全运输设备，对设备的可靠性、设备与设备之间的兼容性要求非常高。在恶劣的车内与车外电磁环境当中，如果设备受到干扰而造成误动作、或者损坏则会对设备的安全运行造成非常严重的后果，甚至会导致严重的安全事故，因此，电磁兼容是轨道交通设备必须解决的问题。
  2.轨道交通设备电磁兼容要求
  根据EN50155-2007标准中的电磁兼容部分，轨交设备必须满足EN50121-3-2标准中相关的电磁兼容指标要求，详细如下：

    3.隔离电源在机车走行部监测装置主机中的应用
  为保证设备的可靠性，此类设备的主电源会使用隔离模块电源实现，以下为整个系统的电源应用框图，如图1所示：

                  图 1 机车走行部监测装置主机电源方案框图
   如图1所示为机车走行部车载监测装置主机电源应用方案框图，整个系统接入110VDC直流电网。根据EN50155标准要求，110V供电系统需满足0.6UN-1.4UN电压范围，因此主电源需选择一个宽输入电压范围的隔离模块电源。同时整个设备电源整体功率低于30W，考虑到降额问题，推荐URF1D15QB-50WH——输入电压范围满足40-160VDC，且满足EN50155标准，为实现产品可靠性提供第一道保护。
   为满足轨道交通电磁兼容标准EN 50121-3-2要求，前端可配置铁路电源专用滤波器，推荐FC-CX3D；
   为进一步提供系统可靠性，主控制电路经过二次隔离，使用VRB1205YMD-10WR3用于MCU、显示屏及操作按键等供电；
   同时，此设备需要将相关数据传输到司机显示平台，以判断设备工作状况及数据信息，推荐适合长距离传输的485通信。为增加传输可靠性，推荐使用自带隔离电源的485隔离收发模块TD521D485H。
   整体电源方案在满足功能需求及安全隔离，同时又便于整体系统简化设计和稳定可靠。
4.轨道交通设备电磁兼容设计方法
4.1 防护滤波
   为使轨道交通设备安全可靠工作，通常主电源会选取国际标准封装的隔离电源进行模块化设计。纵观市场上的轨道交通设备隔离电源，特别是大功率的DC/DC隔离电源。由于受制于体积原因，无法将EMC防护滤波器件集成于模块内部，而轨交设备必须满足相应的电磁兼容标准要求，因此电源厂商会开发配套的滤波器或者提供相应的EMC解决方案供客户端设计选择。所以在设计输入电源滤波时，尽可能按照电源厂商提供的滤波器或EMC解决方案进行设计。  
   如图1中的EMC防护滤波即使用金升阳铁路电源配套EMC辅助器FC-CX3D进行设计的，同时客户也可以根据自身需求，选择分立器件进行设计。 金升阳电源URF1D15QB-50WH、VRB1205YMD-10WR3针对输入端的EMI滤波、EMS防护均有配套的EMC解决方案供客户设计参考。
   选择输入电源滤波方案仅仅是设计的开始，如何对方案进行合理的布局布线，达到最优的效果才是最重要也是最难的。针对输入电源滤波电路布局布线，总结以下三点建议：
（1）DC/DC防护器件放置于接口位置，遵循“防护+输入滤波+隔离电源+输出滤波”的原则。
（2）布局时尽量遵循走直线的方式，避免“U”字型或“Z”字型布局走线，以免降低防护滤波的效果或失效。
（3）防护滤波电路（输入滤波与输出滤波）在布局走线时，以走PCB导线的方式设计，禁止在下方作铺铜设计；隔离电源模块下方不要布电路及信号线。 4.2 信号处理
   如图1所示，存在很多传感器装置，实现对机车运行状态进行采集。通过AD模数处理后反馈给MCU，然后通过数据传输至司机室或主控制室，以判定机车运行的安全状态。此种功能就决定了此设备必须满足高性能的电磁兼容性能。信号是设备最敏感的电路之一，极容易受到ESD、RS、EFT、SURGE、CS的影响，为尽可能降低信号对噪声的敏感度，以下两方面需重点考虑：
  （1）信号电路设计：
针对敏感信号，如传感器、采集处理电路、小信号控制电路、通信电路、复位电路、报警电路、液晶显示电路等敏感电路，在设计时均要做一定的滤波处理。
可采取电容滤波、RC滤波、LC滤波，滤波电路在布局时要靠近电路端口且环路保持最小化；
信号接口电路端口一定要放置防护滤波器件且靠端口放置。
  （2）信号PCB设计：
信号部分，PCB尽可能使用多层板并合理分层，如4层板及以上；
信号线在布局时远离噪声电路，如数字电路、开关电路、时钟电路等；
信号线在走线时，不要靠近板边缘且走线尽可能短。 4.3 结构设计
   轨道交通设备的外壳一般都是金属壳。金属壳接地对静电有很好的泄放作用，同时对RE、RS有很好的屏蔽作用。但是如果机壳的结构没有设计好，不仅起不到应有的作用，有时会引起反作用。
针对金属机壳的设计，有以下几点需重点关注：
   （1）接地：金属机壳接地推荐采用单点接地，即输入滤波器的地就近接至金属机壳，然后在金属壳接地处设计安全接地点；为保证良好接地，应大面积接地，可使用垫片处理，接地区域不应有氧化漆；预留在设备内部的接地线长度尽可能短，一般不应超过5cm。
   （2）外形设计：设备的外壳一般不是一个完整的封闭外壳，是通过几部分组合而成的，这就导致屏蔽效能变差、阻抗变高，对辐射、静电均有影响。为尽可能提升金属机壳的作用，在组合设计时，接合处应采取错位对接且每隔10cm左右用螺丝固定；孔、洞设计时，尽量采取圆形孔或六边形孔，孔径不应超过系统最高工作频率的λ/20。 4.4 隔离电源“非隔离”应用
   进行系统设计时，常有将隔离电源之后的电源地或信号地以直接或间接的方式与安全地相连接的情况，认为此设计能有效的改善静电泄放路径，如果不连接则静电无处泄放。实则不然。相连接时确实人为地提供一条静电泄放路径，但是不连接也并非没有路径了。
   隔离电源在设计时为了改善纹波噪声或EMI性能时，通常会在电源的原边与副边使用高压隔离电容，一般为1nF--3nF左右。有此路径后，后端的静电可以形成自泄放路径。只要保证隔离电源之后的信号与金属机壳满足共模浪涌电压等级的安全距离及接口信号增加静电防护滤波电路之后，静电一般都不会有问题。将隔离之后的电源地或信号地直接连接于安全地之后，进行共模浪涌测试时反而往往会出现损坏、拉弧或复位的情况，将此路径断开后，共模浪涌就不存在问题。
   如图2所示，此种隔离电源应用是电源厂家不提倡或禁止的设计。主要原因是进行共模浪涌测试时（如Vin+对PE、Vin-对PE），就相当于在输入与输出之间进行隔离耐压试验。
   平时的隔离耐压测试漏电流都是预先设置好的，非常小，就算隔离强度达不到要求也不至于损坏产品。，而共模浪涌电压的能量是非常高的，浪涌电流达到167A（以2KV浪涌作参考）。如果隔离电源的隔离强度达不到要求，击穿瞬间将有大能量进入电源内部或后端负载，系统损坏、拉弧、复位也是常有的现象，同时隔离电源也容易失效。
   如果后端信号一定要接PE，则如图3是推荐的设计方法，可通过高压电容进行连接，同时此电容的容值尽量在1nF左右。

5.总结
  轨道交通是一种安全运输工具，内部各设备的可靠性、兼容性对运输的安全有着非常重要的影响。随着轨道交通的高速化发展，标准化、模块化设计已经成为当下的趋势，首当其冲的就是电源模块化。当前国际标准封装的铁路隔离电源受制于体积封装的原因，无法将所有EMC电路集成化，然而针对不同的应用需求，金升阳开发出了一系列满足铁路行业标准EN50155的模块化电源，同时提供完善的EMC配套服务与技术支持，为轨道交通设备保驾护航。

参考文献：
1、EN50121-3-2:《Railway applications —Electromagnetic compatibility —Part 3-2: Rolling stock — Apparatus》