【導讀】在復雜的國際鐵路市場中，如何有效利用鐵路車輛是關鍵。感知設備的狀況、狀態(tài)和位置然后進行匯報可以做出“明智”的決策，從而提高車輛可用性同時降低成本。然而，多個傳感器和發(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)濟地升級現(xiàn)有的車輛。本文介紹了在常見的鐵路傳感應用中使用這種DC/DC轉換器以及具有必要認證的現(xiàn)成產(chǎn)品系列。
全球鐵路網(wǎng)絡持續(xù)增長，預計到2020年鐵路網(wǎng)絡將達到138萬公里，市場價值為1800億歐元[1]。特別是亞太地區(qū)的增長幅度，中國和印度都在鐵路的基礎設施投入巨資。提升生活水平、流動的新興經(jīng)濟體、鐵路旅游以及推動永續(xù)和環(huán)保的交通皆是增長的動力?，F(xiàn)在的軌道網(wǎng)絡正迅速變得過度擁擠，因此持續(xù)使用陳舊的車輛以滿足需求，可能會出現(xiàn)故障導致延誤、網(wǎng)絡中斷，甚至是災難性的脫軌。雖然可以不斷地開發(fā)新路線和購買新車輛，但是計劃延遲、提高融資以及成本超支等問題讓擴建現(xiàn)有的鐵路網(wǎng)絡變得困難。
有效利用資產(chǎn)是關鍵
提高鐵路網(wǎng)絡容量的一種方法是讓新舊車輛“智能化”以提高利用率。這包括精準掌握運行和閑置的車輛位置以增加交通密度，同時結合傳感器監(jiān)控車輛的運行狀況。遠程狀態(tài)監(jiān)測（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)以預測何時需要維護或修復。通過這兩種技術安排必要的維修和避免不必要的預防性維護來加強可靠性、提升可用性以及節(jié)省成本。
“狀態(tài)監(jiān)測”包括簡單的狀態(tài)信息，例如行駛距離和運輸占用率，可進一步用于乘客分析和提升效率。這個想法符合更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）趨勢，思科在一份報告[2]中表示在未來的12年內(nèi)，鐵路在IoT應用上的花費將高達300億美元。
遠程狀態(tài)監(jiān)測需要傳感器
可以透過感測各種參數(shù)來確定設備的狀況和狀態(tài)，包括軸計數(shù)器、軸承溫度、沖擊/振動、噪聲、電源電壓波動、門運轉循環(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源組件，例如熱敏電阻，但現(xiàn)在的趨勢是以數(shù)字信號處理器（DSP）、數(shù)據(jù)記錄器和有線或無線接口（遠程（LoRa）或WLAN無線電）的形式為傳感器增加智能或“邊緣計算”，也可以在車輛上增加GPS以取得詳細的位置。擁有獨立的通信傳感器意味著更容易升級舊設備，在新設計中可以減少布線并根據(jù)需求來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行，由主系統(tǒng)電源的DC/DC轉換器供電。電壓通常為110VDC，但也可以使用其他標稱電壓如24V（圖1）。多通道傳感器或驅(qū)動本地執(zhí)行器時的功率要求可能更高，可能高達40W。實際上，傳感器及其處理器的低壓電源必須來自本地， 如果從大功率集中供電轉換器的電壓分配到各個處理器會導致不可接受的瞬態(tài)和噪聲問題。此外，每個傳感器的DC/DC轉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：各種電源標稱值及變化
問題是110V并不“干凈”; 鐵路標準EN 50155-2017規(guī)定在正常運行中電壓可以有+25%/-30%的變化，在100ms的短時間內(nèi)下降至標稱電壓的60%或上升至140%，不會造成功能偏差，性能可在一秒內(nèi)有些微下降。實際上，連接的DC/DC轉換器必須在整個范圍內(nèi)工作加上一定的余量，通常為43-160VDC。圖1顯示了DC/DC轉換器的標準4:1輸入范圍，說明某些轉換器可以符合一些鐵路要求，而輸入范圍為10:1的理想轉換器則可以應對所有變化。
DC-DC轉換器通常還必須能夠滿足EN 61000-4-x標準中定義的快速瞬態(tài)過電壓要求，簡單的LC濾波器和瞬態(tài)抑制器可以減弱這些過電壓。EN 50155還將電源中斷定義成S1、S2和S3三個類別，最壞的情況是標稱輸入電壓中斷20ms但不會對轉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，同時二極管也提供反極性保護。
圖2的示例為車廂溫度傳感器使風扇運行并通過無線連接發(fā)出列車溫度和狀態(tài)信號。這是RECOM的一款緊湊型8W DC/DC轉換器（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，同時具有反極性保護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準），DC/DC已經(jīng)具有很好地EMC性能，但在設計中可以在輸入端增加額外的EMI濾波器來達到低傳導發(fā)射和提高瞬態(tài)抗干擾能力。
圖2：溫度傳感器的鐵路應用
符合規(guī)范RIA 12
除了上述的標準以外可能還需要遵守英國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385V/20ms。由于源阻抗僅為0.2歐姆，簡單地用瞬態(tài)電壓抑制器限制輸入電壓會損耗太多功率并且會損壞輸入保險絲或TVS。解決方案是使用預穩(wěn)壓器（圖3）將浪涌電壓抑制到預設的最大值。RECOM提供20W、150W或300W三種DC/DC轉換器模塊。
圖3：電涌保護器的RIA 12應用
環(huán)境應力
鐵路傳感應用中的DC-DC轉換器可能受到?jīng)_擊、振動、溫度和濕度的極端影響。設備的安裝位置決定了使用的類別和等級，這些都在EN 61373標準中有清楚定義。大部份的DC-DC電源會安裝在相對良好的1類B級的環(huán)境之中（安裝在車廂機柜內(nèi)），但仍可能需要額外的加固和封裝。設備使用壽命約20年因此必須通過全面的電性能、HALT、溫度循環(huán)和高溫老化等測試來對可靠性進行徹底的確認和驗證。由于110VDC是一種 “不安全” 的電壓，因此轉換器還必須具有通過認證的加強絕緣以防止在二次連接時遭受電擊。
提供合格的現(xiàn)成解決方案
RECOM [3] 及近期收購的意大利公司Power Control Systems（PCS）[4]擁有許多符合EN 50155標準的DC-DC轉換器或完整的鐵路解決方案，提供低功率（8W-240W）至高達2kW的定制模塊，多種輸入電壓范圍涵蓋所有鐵路標稱值，包括16-160V超寬輸入范圍。
憑借長期的鐵路應用經(jīng)驗，公司還可以提供全面的技術支持、詳細的EMC評估和環(huán)境合規(guī)報告。PCS提供板卡式安裝以及板卡和機架式產(chǎn)品以滿足客制化的需求，RECOM則專注于PCB安裝低功率DC/DC模塊和參考設計，包括符合EN 50121-3-2標準24-48V或72-110V DC標稱輸入電壓轉換器的EMI濾波電路（參考設計分別為R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。
鐵路級DC-DC轉換器和電源提供一種簡單且經(jīng)濟高效的途徑，可將低功率傳感和遙測技術融入現(xiàn)有的鐵路車輛和新設計之中，從而協(xié)助實現(xiàn)鐵路界的IoT。
參考文獻
[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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