直流道岔系統(tǒng)的電源隔離和信號隔離解決方案

背景介紹：道岔表示系統(tǒng)是檢測轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)向以及動(dòng)作電流的裝置，是信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分之一，是鐵路安全運(yùn)行的保證。本文將分享電源隔離和信號隔離解決方案在直流道岔表示系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1.直流道岔表示系統(tǒng)框圖

方案推薦：

1. 電源解決方案

根據(jù)《信號集中監(jiān)測系統(tǒng)采集技術(shù)方案和施工工藝要求》的規(guī)定：

1).直流道岔表示系統(tǒng)的采集器外殼和封裝應(yīng)采用鐵道部指定的鐵路信號專用繼電器外殼和底座，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T7417-2001;每個(gè)采集器采集4組直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔表示電壓，每組直流轉(zhuǎn)轍機(jī)通過2組表示電壓表示，分別表示定位采集信號和反位采集信號;

2).每組道岔采樣線之間隔一個(gè)端子，耐壓為AC4000V以上;不同組道岔的輸入線之間焊盤之間間隔大于6mm，如果不滿足安全間隙，需要開寬度大于1mm的隔離槽;

3). 其端子之間、輸入輸出之間、輸入與電源之間的耐壓都高于DC2500V。端子之間對于超出AC3000V且電流大于200mA的強(qiáng)電流，輸入回路高低端之間的保險(xiǎn)絲斷開，對外呈現(xiàn)斷路狀態(tài);高壓部分與低壓部分走線區(qū)域嚴(yán)格區(qū)分，表示電壓輸入部分的走線間隔大于6mm。

對于采集器中的直流電壓表示部分的隔離電源必須具有以下特性：

1)小體積封裝，減小占板體積要求，留出更大空間用于輸入端隔離電路，保證焊盤之間的安全距離，提高產(chǎn)品整體安全性;

2) 高耐壓特性，滿足2500V隔離特性要求，可以防止因遭到類似高壓沖擊如感應(yīng)雷、機(jī)車過軌等，而串入后級的測量電路中，提高模塊耐高壓的能力;

3) 低功耗，高效率要求，8組電源一起工作，可顯著減小產(chǎn)品的溫升，并且可以減小總線電源的功率要求;針對此特性要求，金升陽推出E_T-W2 & F_T-W2 0.25W，定電壓輸入，3000VDC隔離非穩(wěn)壓正負(fù)雙路/單路輸出DC-DC 模塊電源系列產(chǎn)品，來解決直流道岔表示系統(tǒng)的電壓采集中的電源選型的難題;

圖2.F_T-W2示意圖

此電源系列具有以下特性：

● 體積小 15.24mm*7.5mm*6.5mm;

● SMD 封裝 更適合自動(dòng)貼片生產(chǎn);

● 隔離電壓3000VDC，滿足鐵標(biāo)對道岔采集系統(tǒng)的要求;

● 工作溫度范圍: -40℃～+85℃，滿足室外惡劣工作條件;

● 無需外加元件 減小PCB面積以及靈活應(yīng)用;

● 國際標(biāo)準(zhǔn)引腳方式 ;

一般道岔表示采集器的總線輸入電壓為12V，道岔表示電壓一般為0-5V或者0-10V，此信號轉(zhuǎn)化部分可采用模塊電源F1212T-W2產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求;

對于道岔表示系統(tǒng)采集盒的總線輸入電源，因每個(gè)道岔只可能工作在定位或者反位其中一種工作狀態(tài)，即總共才4組F1212T-W2工作，選擇DC-DC 3W產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求，同樣此總線輸入電源，必須具有小體積封裝要求，留下足夠的空間給輸入端隔離電路;金升陽WRF_S-3WR2產(chǎn)品可滿足設(shè)計(jì)要求;

2.通訊解決方案

傳統(tǒng)的RS485通訊解決方案采用光耦隔離和DCDC隔離自搭方案，因占板面積大，對于直流道岔表示系統(tǒng)的采集盒應(yīng)用具有局限性，故推薦使用金升陽RS485隔離收發(fā)模塊。該模塊是集成收發(fā)芯片、隔離芯片及DC/DC隔離電源于一體的接口隔離收發(fā)模塊，可完全取代傳統(tǒng)的光耦隔離方案。

圖3.TDXXXD485H示意圖

● 磁耦隔離技術(shù)替代傳統(tǒng)光耦隔離技術(shù)，可靠性更高;

● 模塊化封裝，可減小PCB占板面積，更符合采集器的應(yīng)用;

● 隔離電壓2500VDC，滿足鐵標(biāo)對通訊隔離的要求;

● 工作溫度范圍: -40℃～+85℃，滿足室外惡劣環(huán)境工作條件;

● 內(nèi)部管腳集成防靜電模塊 減小PCB面積以及靈活應(yīng)用;3. EMC電路解決方案

1)道岔表示電壓輸入端EMC電路防護(hù)

根據(jù)《信號集中監(jiān)測系統(tǒng)采集技術(shù)方案和施工工藝要求》，道岔表示電壓輸入端EMC防護(hù)電路在每組道岔表示輸入與輸出部分，必須跨接一個(gè)2W的金屬膜高耐壓的電阻，用于防止類高壓部分串入后級電路，此高壓電阻可顯著減小此高壓；在信號轉(zhuǎn)換部分，串入TVS管是很有必要的，一方面可以防止DCDC電源的輸出端因高壓輸入部分損壞;另一方面可保護(hù)信號轉(zhuǎn)換部分因瞬間高壓串入的異常工作。

2)采集器的總線電源的EMC電路防護(hù)

因采集器的總線電源已經(jīng)是處于二次電源，一次電源側(cè)對浪涌與群脈沖的防護(hù)已經(jīng)做的很好了，一般只需要在總線電源的輸入端并聯(lián)一個(gè)大約47uF-100uF的電解電容和一個(gè)SMBJ的TVS管即可滿足設(shè)計(jì)要求;

3)485通訊部分的EMC電路防護(hù)

485模塊的EMC推薦電路如下：

圖4.485模塊推薦電路

具體推薦的元器件參數(shù)如下表：

應(yīng)用此推薦電路，信號端口的EMS端口的能力可達(dá)到：

1).靜電放電IEC/EN61000-4-2 Contact ±4KV

2) .脈沖群抗擾度IEC/EN61000-4-4 信號端口 ±1KV

3).浪涌抗擾度IEC/EN61000-4-5 信號端口 ±4KV/±6KV