【導(dǎo)讀】在復(fù)雜的國(guó)際鐵路市場(chǎng)中，如何有效利用鐵路車(chē)輛是關(guān)鍵。感知設(shè)備的狀況、狀態(tài)和位置然后進(jìn)行匯報(bào)可以做出“明智”的決策，從而提高車(chē)輛可用性同時(shí)降低成本。然而，多個(gè)傳感器和發(fā)射器需要低成本的電源，必須易于集成、符合鐵路電氣和環(huán)境規(guī)范，且經(jīng)濟(jì)地升級(jí)現(xiàn)有的車(chē)輛。本文介紹了在常見(jiàn)的鐵路傳感應(yīng)用中使用這種DC/DC轉(zhuǎn)換器以及具有必要認(rèn)證的現(xiàn)成產(chǎn)品系列。
全球鐵路網(wǎng)絡(luò)持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年鐵路網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到138萬(wàn)公里，市場(chǎng)價(jià)值為1800億歐元[1]。特別是亞太地區(qū)的增長(zhǎng)幅度，中國(guó)和印度都在鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施投入巨資。提升生活水平、流動(dòng)的新興經(jīng)濟(jì)體、鐵路旅游以及推動(dòng)永續(xù)和環(huán)保的交通皆是增長(zhǎng)的動(dòng)力。現(xiàn)在的軌道網(wǎng)絡(luò)正迅速變得過(guò)度擁擠，因此持續(xù)使用陳舊的車(chē)輛以滿足需求，可能會(huì)出現(xiàn)故障導(dǎo)致延誤、網(wǎng)絡(luò)中斷，甚至是災(zāi)難性的脫軌。雖然可以不斷地開(kāi)發(fā)新路線和購(gòu)買(mǎi)新車(chē)輛，但是計(jì)劃延遲、提高融資以及成本超支等問(wèn)題讓擴(kuò)建現(xiàn)有的鐵路網(wǎng)絡(luò)變得困難。
有效利用資產(chǎn)是關(guān)鍵
提高鐵路網(wǎng)絡(luò)容量的一種方法是讓新舊車(chē)輛“智能化”以提高利用率。這包括精準(zhǔn)掌握運(yùn)行和閑置的車(chē)輛位置以增加交通密度，同時(shí)結(jié)合傳感器監(jiān)控車(chē)輛的運(yùn)行狀況。遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)（RCM）是收集數(shù)據(jù)的方法，狀態(tài)檢修（CBM）則是分析數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)何時(shí)需要維護(hù)或修復(fù)。通過(guò)這兩種技術(shù)安排必要的維修和避免不必要的預(yù)防性維護(hù)來(lái)加強(qiáng)可靠性、提升可用性以及節(jié)省成本。
“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”包括簡(jiǎn)單的狀態(tài)信息，例如行駛距離和運(yùn)輸占用率，可進(jìn)一步用于乘客分析和提升效率。這個(gè)想法符合更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）趨勢(shì)，思科在一份報(bào)告[2]中表示在未來(lái)的12年內(nèi)，鐵路在IoT應(yīng)用上的花費(fèi)將高達(dá)300億美元。
遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要傳感器
可以透過(guò)感測(cè)各種參數(shù)來(lái)確定設(shè)備的狀況和狀態(tài)，包括軸計(jì)數(shù)器、軸承溫度、沖擊/振動(dòng)、噪聲、電源電壓波動(dòng)、門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)、利用率、光照水平以及空氣質(zhì)量等。雖然基本的傳感器可以是無(wú)源組件，例如熱敏電阻，但現(xiàn)在的趨勢(shì)是以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、數(shù)據(jù)記錄器和有線或無(wú)線接口（遠(yuǎn)程（LoRa）或WLAN無(wú)線電）的形式為傳感器增加智能或“邊緣計(jì)算”，也可以在車(chē)輛上增加GPS以取得詳細(xì)的位置。擁有獨(dú)立的通信傳感器意味著更容易升級(jí)舊設(shè)備，在新設(shè)計(jì)中可以減少布線并根據(jù)需求來(lái)增加或自定義不同的功能。
傳感器需要電力
大多數(shù)傳感器只需要幾瓦的功率即可運(yùn)行，由主系統(tǒng)電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。電壓通常為110VDC，但也可以使用其他標(biāo)稱電壓如24V（圖1）。多通道傳感器或驅(qū)動(dòng)本地執(zhí)行器時(shí)的功率要求可能更高，可能高達(dá)40W。實(shí)際上，傳感器及其處理器的低壓電源必須來(lái)自本地， 如果從大功率集中供電轉(zhuǎn)換器的電壓分配到各個(gè)處理器會(huì)導(dǎo)致不可接受的瞬態(tài)和噪聲問(wèn)題。此外，每個(gè)傳感器的DC/DC轉(zhuǎn)換器都需要電流隔離以避免與大功率接地回路共地和交叉干擾。
圖1：各種電源標(biāo)稱值及變化
問(wèn)題是110V并不“干凈”; 鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN 50155-2017規(guī)定在正常運(yùn)行中電壓可以有+25%/-30%的變化，在100ms的短時(shí)間內(nèi)下降至標(biāo)稱電壓的60%或上升至140%，不會(huì)造成功能偏差，性能可在一秒內(nèi)有些微下降。實(shí)際上，連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器必須在整個(gè)范圍內(nèi)工作加上一定的余量，通常為43-160VDC。圖1顯示了DC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)4:1輸入范圍，說(shuō)明某些轉(zhuǎn)換器可以符合一些鐵路要求，而輸入范圍為10:1的理想轉(zhuǎn)換器則可以應(yīng)對(duì)所有變化。
DC-DC轉(zhuǎn)換器通常還必須能夠滿足EN 61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)中定義的快速瞬態(tài)過(guò)電壓要求，簡(jiǎn)單的LC濾波器和瞬態(tài)抑制器可以減弱這些過(guò)電壓。EN 50155還將電源中斷定義成S1、S2和S3三個(gè)類別，最壞的情況是標(biāo)稱輸入電壓中斷20ms但不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出電性能造成影響。這通常需要串聯(lián)隔離二極管之后外接保持電容，同時(shí)二極管也提供反極性保護(hù)。
圖2的示例為車(chē)廂溫度傳感器使風(fēng)扇運(yùn)行并通過(guò)無(wú)線連接發(fā)出列車(chē)溫度和狀態(tài)信號(hào)。這是RECOM的一款緊湊型8W DC/DC轉(zhuǎn)換器（32 x 20 x 10mm），輸入范圍為43V至160V，為傳感器提供隔離穩(wěn)壓電源，同時(shí)具有反極性保護(hù)和輸出電壓保持功能。根據(jù)EN 50121-3-2（軌道交通電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)），DC/DC已經(jīng)具有很好地EMC性能，但在設(shè)計(jì)中可以在輸入端增加額外的EMI濾波器來(lái)達(dá)到低傳導(dǎo)發(fā)射和提高瞬態(tài)抗干擾能力。
圖2：溫度傳感器的鐵路應(yīng)用
符合規(guī)范RIA 12
除了上述的標(biāo)準(zhǔn)以外可能還需要遵守英國(guó)RIA 12規(guī)范，該規(guī)范定義的浪涌能量比EN 50155更高，在110V系統(tǒng)中高達(dá)385V/20ms。由于源阻抗僅為0.2歐姆，簡(jiǎn)單地用瞬態(tài)電壓抑制器限制輸入電壓會(huì)損耗太多功率并且會(huì)損壞輸入保險(xiǎn)絲或TVS。解決方案是使用預(yù)穩(wěn)壓器（圖3）將浪涌電壓抑制到預(yù)設(shè)的最大值。RECOM提供20W、150W或300W三種DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊。
圖3：電涌保護(hù)器的RIA 12應(yīng)用
環(huán)境應(yīng)力
鐵路傳感應(yīng)用中的DC-DC轉(zhuǎn)換器可能受到?jīng)_擊、振動(dòng)、溫度和濕度的極端影響。設(shè)備的安裝位置決定了使用的類別和等級(jí)，這些都在EN 61373標(biāo)準(zhǔn)中有清楚定義。大部份的DC-DC電源會(huì)安裝在相對(duì)良好的1類B級(jí)的環(huán)境之中（安裝在車(chē)廂機(jī)柜內(nèi)），但仍可能需要額外的加固和封裝。設(shè)備使用壽命約20年因此必須通過(guò)全面的電性能、HALT、溫度循環(huán)和高溫老化等測(cè)試來(lái)對(duì)可靠性進(jìn)行徹底的確認(rèn)和驗(yàn)證。由于110VDC是一種 “不安全” 的電壓，因此轉(zhuǎn)換器還必須具有通過(guò)認(rèn)證的加強(qiáng)絕緣以防止在二次連接時(shí)遭受電擊。
提供合格的現(xiàn)成解決方案
RECOM [3] 及近期收購(gòu)的意大利公司Power Control Systems（PCS）[4]擁有許多符合EN 50155標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器或完整的鐵路解決方案，提供低功率（8W-240W）至高達(dá)2kW的定制模塊，多種輸入電壓范圍涵蓋所有鐵路標(biāo)稱值，包括16-160V超寬輸入范圍。
憑借長(zhǎng)期的鐵路應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，公司還可以提供全面的技術(shù)支持、詳細(xì)的EMC評(píng)估和環(huán)境合規(guī)報(bào)告。PCS提供板卡式安裝以及板卡和機(jī)架式產(chǎn)品以滿足客制化的需求，RECOM則專注于PCB安裝低功率DC/DC模塊和參考設(shè)計(jì)，包括符合EN 50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)24-48V或72-110V DC標(biāo)稱輸入電壓轉(zhuǎn)換器的EMI濾波電路（參考設(shè)計(jì)分別為R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。
鐵路級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源提供一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的途徑，可將低功率傳感和遙測(cè)技術(shù)融入現(xiàn)有的鐵路車(chē)輛和新設(shè)計(jì)之中，從而協(xié)助實(shí)現(xiàn)鐵路界的IoT。
參考文獻(xiàn)
[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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