机车车载TAX箱驱动电源可靠性设计与分析

韩进霞

（北京铁路信号有限公司，北京 102613)

机车安全信息综合监测装置（简称TAX 箱）是一种机车安全信息共享的工作平台，与LKJ、机车信号并称为机车车载三大设备，其工作稳定性对于机车安全运行意义重大。该装置内部采取驱动电源集中供电方式，以保证该装置串行通信功能、记录功能、数据转储功能、数据分析处理功能以及语音录音功能正常实现。

1 系统构成

TAX 箱主要由电源单元、通信记录单元、语音录音单元组成，其系统结构如图1 所示。

图1 TAX箱系统结构 Fig.1 TAX box system structure diagram

TAX 箱内部单元布置示意如图2 所示。

图2 TAX箱内部单元布置示意 Fig.2 Schematic diagram of TAX box internal unit layout

2 驱动电源可靠性设计需求分析

TAX 箱的驱动电源在设计时不仅需考虑其正常技术参数如驱动电源容量、功率等指标，更需要考虑电源端口过欠压、过流和浪涌、抗干扰防护方面的设计。

首先，TAX 箱驱动电源设计需要满足如下主要技术参数：

输入电压： 直流50 ～180 V；

输出电压1: 5 V±0.15 V 2 A；

输出电压2: ±12 V±1 V 0.4 A；

输出电压3: 15 V±1.2 V 2 A；

输出电压4: 24 V±2 V 0.4 A。

驱动电源为各功能单元提供的负载电流是一定的，为保证各功能单元正常工作，各功能单元可以从电源单元获取5、±12、15、24 V 电源，但：

5 V 电源取电流应≤150 mA；

±12 V 电源取电流应≤90 mA；

15 V 电源取电流应≤240 mA；

24 V 电源取电流应≤40 mA。

当各功能单元所需电源容量超过以上规定时，需要该单元引入110 V 电源变换后产生其所需电源。

其次，为满足电源单元可靠工作，电源单元设计应考虑如下功能。

1）电源单元输出过流保护

电源单元的输出超过电流上限后应立即停止输出，以免设备因电流过大毁损。

2）输入电压防护

电源单元在输入电压大于180 V 或者小于50 V时，应自动停止工作，在输入电压恢复到正常值时，能够自动开始工作。

3）输出电压防护

要求电源单元在输出电压超出异常时，自动停止工作，防止因为电压输出异常毁损设备。

3 驱动电源设计方案

针对电源板需求提出如图3 所示设计方案。

图3 电源板工作原理示意图 Fig.3 Schematic diagram of power supply board working principle

3.1 110 V转15 V电路设计

如图4 所示，图框1 中110 V 输入电压进入经过压敏电阻、气体放电管和一个薄膜电容以及磁介质电容器后进入图框2 中，在110 V 电源输入部分设计采用压敏电阻主要目的在电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余的电流以保护敏感器件；将气体放电管用在保护电路的第一级主要功能是泄放雷电暂态过流和限制过压。图框2 是一个高频扼流圈，可以遏制高频交流电流让低频和直流通过。图框3是尖峰电压吸收电路，吸收Q3 功率开关管在关断时产生的上升尖峰电压能量，减少尖峰电压幅值，防止Q3 击穿。

如图5 所示，图框1 内的电路是带滤波电容的中点抽头桥式整流电路，可以滤除脉动直流电压中的交流成分。图框2 内的电路是辅助供电电路。

如图6 所示，图框1 电路功能是检测输入电压，实现输入过欠压保护。R14 用来设定过载补偿的深度。图框2 内的电路实现的功能是电压反馈。图框3 内的电路实现功能是MOS 驱动和电流采样。

3.2 12、5、24 V转换电路设计

图4 110 V转15 V电路输入部分 Fig.4 Input part of circuit converted from 110 V to 15 V

图5 110 V转15 V电路整流部分 Fig.5 Rectifier of circuit converted from 110 V to 15 V

12 V、5 V、24 V 电压是由电压转化模块转化而来，如图7、8 所示，主要采用不同的电压转化模块，电源模块输入端都是由110 V 电压转化而成的15 V 电压。在设计时选则保护功能齐备的电源模块，并且考虑其保护电路的技术参数与设备的工作特性相匹配，以避免损坏设备或开关电源。

4 驱动电源电路可靠性设计分析

驱动电源稳定工作是保证TAX 箱正常运行的前提，使驱动电源长时间稳定工作，不仅需要其电路原理正确，器件选型及PCB 布局等因素同样至关重要。

考虑到110 V 电压转化为15 V电压时，对变压器的规格参数要求较高，所以变压器通过厂家定制，该变压器不仅体积小，而且能很好的满足要求。考虑到电源单元返修的情况，在高的器件旁边比如散热片周围尽量不放置元器件。这样不仅有利于返修而且能使一些敏感器件远离散热片，避免长时间受热而影响其工作性能。

针对电源板散热的问题，在PCB布局时，在发热量大的器件下面开孔，使其能很好的散热，但是如果开孔太小，电源板进入贴片机时，这些孔会发生堵锡的现象，所以开孔不仅要满足散热要求，同时也要满足工艺的要求。

对于关键器件的选型，与厂家技术人员进行充分的沟通，采取专业人员推荐的器件，能很好的满足需求，例如在图4 的图框3 中的尖峰电压吸收电路里电阻采用的是一种比碳膜电阻性能更可靠稳定的玻璃釉电阻，虽然成本增加但是换来的是电路的可靠稳定性提升。

图6 110 V转15 V电路过欠压保护部分 Fig.6 Over-voltage and under-voltage protection part of circuit converted from 110 V to 15 V

图8 12 V电压转5 V电压电路Fig.8 Circuit with voltage converted from 12 V to 5 V

5 结论

为保障铁路运输安全，要求铁路信号产品必须具有高可靠性，决定电源单元可靠性高低的因素中最重要是设计因素，本文对TAX 箱驱动电源硬件设计从电路原理设计和器件选型角度进行分析总结，确保产品设计能够满足系统需求，这种电源可靠性设计的方法可作为一种经典思路在其他场合中应用。