具有冗余輸出功能的電源設(shè)計

王永剛

摘要：伴隨鐵路產(chǎn)品對可靠性要求的提高，具有冗余功能的產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地被各個機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、遠程輸入輸出單元的心臟，對整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠運行起著舉足輕重的作用。本文在充分調(diào)查和研究國內(nèi)及國外的列車網(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)計方案，自主化設(shè)計開發(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，具有很高的市場價值。

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)用于包括機車、地鐵、輕軌、動車組等型號列車中，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，則無法對列車進行控制，司機無法實現(xiàn)對列車的控制，可能造成列車擊破等事故。

近年來，軌道交通行業(yè)對列車控制的實時性、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模塊正常工作的前提條件，對電源模塊進行冗余設(shè)計是保證各個模塊可靠性的關(guān)鍵。

1 ?冗余電源的介紹

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

傳統(tǒng)的電源冗余方案一般是由兩個或者兩個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。實際工作過程中，可以讓一套電源系統(tǒng)單獨工作，也可以讓多套電源系統(tǒng)同時工作。當(dāng)其中的一套電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，所以，整個電源系統(tǒng)不會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，最大甚至可達到幾十安培?？紤]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)計簡單，成本較低，但也有很大的缺點：比如功耗大、熱耗嚴重、需加裝散熱片、甚至占用很大體積。同時由于電路中通常為大電流，二極管大部分時間處于前向?qū)Ｊ?，因此因為壓降?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單組成，并且同時工作，其優(yōu)點是1個電源故障時備份電源可以立即投入，輸出電壓波動很小，對整個列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不會產(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因為壓降而產(chǎn)生的熱損耗。在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)子設(shè)備中，實現(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，同時也減少了設(shè)備的熱損耗。

2 ?冗余電源設(shè)計

具有冗余輸出功能的電源板具有兩套完全獨立的保護、濾波電路，具有兩個DC110V轉(zhuǎn)DC5V電源模塊（V110C5T75BG），正常情況下，兩套電路同時工作，當(dāng)任何一路電源輸入故障或者電路故障時，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)計需求。

主要設(shè)計特點如下：

本設(shè)計最新采用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、輸出電平控制、高溫報警等多種功能，電源冗余控制原理如圖2所示。

該電路的工作原理是，兩個電源控制芯片ISL6146CFUZ通過GATE引腳控制兩對O-Ring MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，使兩路電源系統(tǒng)同時給背板設(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，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)計采用兩套相互獨立的保護、濾波電路，任何一路故障時，不影響電源板卡的輸出功能。

本設(shè)計預(yù)留滿足6U4TE寬度板卡安裝的接插件，同時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)計與實現(xiàn)。本設(shè)計具有性能穩(wěn)定，可靠性強等特點。相信隨著整個列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進一步升級和硬件的發(fā)展，該電源冗余方案將會在軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]劉天羽，沈任元，田玉冬.提高開關(guān)電源效率和節(jié)能電源的研究與設(shè)計[J].上海電機學(xué)院學(xué)報，2007（2）：93-97.

[2]王俊景.列車通信網(wǎng)絡(luò)簡介[J].城市軌道交通研究，2005：24-26.

[3]張澤宇.一種高可靠性、高密度的冗余電源設(shè)計及實現(xiàn)[J].工程科技Ⅱ輯·電力工業(yè)，2015，8.